авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Моделирование тепломассообменных процессов в мерзлых породах с подвижной ледовой компонентой

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Колунин Владимир Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ С ПОДВИЖНОЙ ЛЕДОВОЙ КОМПОНЕНТОЙ

25.00.08 – инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора геолого-минералогических наук

Тюмень - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институт криосферы Земли Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Комаров Илья Аркадьевич

доктор геолого-минералогических наук

Курчиков Аркадий Романович

доктор технических наук, профессор

Шабаров Александр Борисович

Ведущая организация: ОАО Фундаментпроект

Защита состоится 28 ноября 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 003.042.02 при Учреждении Российской академии наук «Институт криосферы Земли СО РАН»

по адресу: 625026 г. Тюмень, ул. Малыгина, 86

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук «Институт криосферы Земли СО РАН»

по адресу: 625026 г. Тюмень, ул. Таймырская, 74

Оригиналы отзывов на автореферат (в 2-х экз.), заверенные печатью учреждения, просьба направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 625000 г. Тюмень, а/я 1230, lpodenko@ikz.ru, sciensec@ikz.ru.

Автореферат разослан «___» октября 2011 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В основе проектирования объектов промышленного и гражданского строительства лежит знание физико-механических свойств грунтов и их реакции на изменение условий окружающей среды. Хозяйственная деятельность человека в регионах с холодными климатом нарушает естественный тепловой режим грунтовых толщ. В результате основания сооружений могут быть подвержены недопустимым деформациям Особенно сильные изменения происходят в водонасыщенных мелкодисперсных грунтах при замерзании и оттаивании. Неотъемлемая составляющая прогноза устойчивости строительных объектов в условиях холодного климата – моделирование тепломассообменных процессов в промерзающих и протаивающих грунтах.

В грунтовых системах замерзание воды или плавление льда вызывает относительное перемещение компонентов и может приводить к необратимым структурным и текстурным изменениям. В естественных условиях, как результат движения влаги к границе промерзания, влажность мелкодисперсного мерзлого грунта оказывается выше влажности талого. Экспериментальными исследованиями установлена совокупность различных факторов, влияющих на скорость миграции влаги. Это, в первую очередь, свойства грунта - дисперсность, минералогический состав, засоленность, состав обменных катионов, а также характер взаимодействия системы с окружающей средой - скорость промерзания и гидравлическая связь с водоемом [Тютюнов, Нерсесова, 1963].

Поскольку в мелкодисперсных грунтах фазовое превращение воды в лед занимает некоторый температурный диапазон, то текстурные изменения в системе происходят не только вблизи границы промерзания, но и внутри массива мерзлого грунта [Ершов, 1979; Чеверев, 2004]. Массообменные процессы в мерзлых грунтах могут быть инициированы, помимо градиента температуры, иными термодинамическими силами - градиентами давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала [Основы геокриологии, 1995]. Существование жидкой фазы в дисперсных средах, содержащих лед, обеспечивает относительно высокую скорость массообмена внутри среды в некотором диапазоне температуры.

В основе теоретических моделей тепломассообменных процессов, происходящих в промерзающем или мерзлом грунтах лежат законы тепломассопереноса, которые в общем виде представляет собой функциональную зависимость потоков тепла и массы от градиентов термодинамических потенциалов - температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала. Если система находится вблизи состояния равновесия, эта зависимость представляет собой линейную форму [Хаазе, 1967]. Коэффициенты переноса, входящие в эти соотношения определяются экспериментально. К настоящему времени наиболее изученными оказываются теплопроводящие [Теплофизические свойства..., 1984; Комаров, 2003] и фильтрационные [Williams, Burt, 1974; Horiguchi, Miller, 1983] свойства мерзлых пород. В меньшей степени представлены экспериментальные работы по термоосмотическим [Perfect, Williams, 1980], диффузионным [Murrmann, 1973; Чувилин, Смирнова, 1996] и электроосмотическим свойствам [Ананян, 1952; Иванов, 1957; Hoekstra, Chamberlain, 1964; Van Gassen, Sego, 1991]. Измерение коэффициентов переноса мерзлых дисперсных сред занимает достаточно длительное время, в течение которого, как правило, меняется текстура мерзлой породы. Текстурные преобразования сопровождаются движением жидкой фазы относительно твердых составляющих. Роль такого движения особенно велика в диффузионных процессах – скорость диффузии химических элементов в мерзлых породах оказывается одного порядка со скоростью диффузии в талых.

Иногда рассматриваемая система обнаруживает, на первый взгляд, неожиданные свойства. Известно, что в условиях закрытой системы в однородном полностью водонасыщенном мерзлом грунте под действием градиента температуры, близкого по величине к природному, происходит миграция воды в сторону более низкой температуры [Ершов, 1979]. В условиях же открытой системы наблюдается обратная картина - поток массы, проходящий через образец мерзлого грунта, совпадает по направлению с градиентом температуры [Perfect, Williams, 1980]. Если в первом случае движение воды сопровождается деформируемостью скелета пористой среды, иначе оказывается невозможным изменение влажности грунта, то во втором случае деформируемость скелета играет второстепенную роль, а поток массы в образце есть следствие относительного движения льда и частиц грунта.

При моделировании тепломассообменных процессов в мерзлых грунтах необходимо учитывать оба эти фактора. При этом, следует иметь в виду, что деформирование скелета грунта всегда сопровождается движением льда.

Проблема состоит в установлении общих закономерностей относительного движения твердых фаз (льда и грунтовых частиц) в мерзлых и промерзающих грунтах. Последовательное решение задачи предполагает, что на первом этапе исследования фактор деформирования скелета должен быть исключен из рассмотрения. Это можно сделать посредством использования пористых материалов с жестким скелетом.

Объект исследования – мерзлая жесткая бипористая среда, содержащая жидкую фазу.

Предмет исследования – тепломассообменные свойства указанной выше системы.

Основная цель работы. Установить роль движения льда относительно минерального каркаса в тепломассообменных процессах в мерзлых пористых средах вблизи температуры начала замерзания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка модели бипористой среды регулярной структуры и установление связи между потоками и термодинамическими силами;

- определение коэффициентов теплопроводности льда с пористыми частицами и коэффициентов переноса пористой среды с включениями льда, мелкопористая часть которых насыщена водным раствором неэлектролита;

- определение коэффициентов теплопроводности и термоэлектрополяризации льда с пористыми частицами и коэффициентов переноса пористой среды с включениями льда, мелкопористая часть которых насыщена водным раствором электролита и обладает осмотическими и электроосмотическими свойствами;

- разработка экспериментального метода и создание установки по определению коэффициентов переноса мерзлых пористых сред с высоким разрешением по температуре. Измерение тепломассообменных характеристик пористой среды с включением льда и проведение сравнительного анализа с теорией.

Научная новизна работы.

- установлено, что законы переноса тепла и массы для мерзлой бипористой среды представляются в общем виде: потоки тепла и массы линейно зависят от всей совокупности термодинамических сил – градиентов температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала;

- доказано, что движение льда в пористой среде, насыщенной раствором неэлектролита заметно увеличивает теплопроводящую, термоосмотическую и осмотическую способность среды;

- доказано, что движение льда в пористой среде, насыщенной раствором электролита, значительно увеличивает термоэлектрическую способность среды и практически не сказывается на величинах электроосмоса и потокового потенциала; показано, что осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой части среды существенно влияют на тепломассообменные свойства бипористой среды;

- впервые определена в эксперименте вся совокупность коэффициентов переноса образца мерзлой пористой среды и выявлена двоякая роль незамерзшей воды между льдом и скелетом пористой среды.

Практическая значимость работы.

Прогноз влияния температурных условий на устойчивость сооружений, находящихся в холодных климатических условиях, основан на моделировании тепломассообменных процессов в промерзающих или протаивающих грунтах. Неотъемлемыми составляющими теоретических моделей криогенного текстурообразования и влагонакопления являются законы переноса тепла и массы. Настоящим исследованием обосновывается, что законы переноса для мерзлой породы, которая содержит в своем составе достаточное количество незамерзшей воды, должны иметь общую форму: потоки тепла и массы линейно выражаются через всю совокупность термодинамических сил.

Скорость и направление движения льда внутри пористых объектов регулируются внешними градиентами термодинамических величин и зависят от тепломассообменных свойств среды. Размещенный внутри микробиологогического объекта лед может служить инструментом для изучения особенностей функционирования биологических систем и способом воздействия на их свойства.

В мембранной технологии для нахождения максимального размера сквозных каналов применяется «метод определения точки пузырька плоских мембран» (ГОСТ Р 50516-93). Этим методом определяют размеры пор в диапазоне 0,1 – 15 мкм. Нами предложен способ определения максимального размера сквозных в диапазоне 0,04 – 2 мкм по проникновению льда через фильтр, который по сравнению с методом пузырька имеет ряд преимуществ.

На защиту выносятся.

1. Теоретическая модель бипористой среды и общие результаты исследований ее тепломассообменных свойств: законы переноса тепла и массы в мерзлых пористых средах вблизи температуры начала замерзания имеют общую форму – потоки тепла и массы выражаются через всю совокупность термодинамических сил: градиенты температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала.

2. Результаты исследования тепломассообменных свойств бипористой среды, насыщенной раствором неэлектролита: увеличение значений коэффициентов теплопроводности, осмоса и термоосмоса мерзлых пористых сред вблизи температуры начала замерзания есть следствие движения льда относительно минерального каркаса.

3. Результаты исследования тепломассообменных свойств бипористой среды, насыщенной раствором электролита: наличие льда в пористой среде значительно усиливает его термоэлектрополяризационные свойства и ослабляет электроосмотическую способность среды, в то время, как значение потокового потенциала слабо зависит от содержания льда в пористой среде.

4. Результаты экспериментальных исследований тепломассообменных свойств водонасыщенной пористой керамики с включением льда: показано, что измеренные коэффициенты переноса близки по величине к расчетным; обнаружена слабая зависимость величин коэффициентов от температуры в диапазоне –0,01  –0,05 град. Цельсия; подтверждена выполнимость принципа взаимности Онзагера для систем с фазовыми переходами. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических исследований показывает, что незамерзшая вода между льдом и поверхностью минерала выполняет двоякую роль: с одной стороны, уменьшает скорость движения льда и, как следствие, снижает массоперенос воды в твердой фазе, с другой стороны, служит дополнительным водотоком, тем самым, повышая массоперенос в жидкой фазе.

Личный вклад соискателя. Основные результаты по теме диссертации получены лично автором.

Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ИКЗ СО РАН, включая интеграционные программы СО РАН №№ 13 и 122), и на отдельных этапах была поддержана грантами: РФФИ 05-05-64228-а; Губернатора Тюменской области 2007 г. “Режеляционный способ очистки воды”; Губернской Академии 2007, 2008 гг.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 9 межотраслевой научно-методологический семинар (Тюмень, 2002); Международная конференция Permafrost (Zurich, Switzerland, 2003), Международная конференция “Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения” (Пущино, 2003), Международная конференция «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), Международная конференция «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006), Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, включая 1 книгу (в соавторстве), 9 статей в рецензируемых зарубежных (International Journal of Heat and Mass Transfer – 4 статьи) и отечественных журналах, в том числе из перечня ВАК – 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 262 страницы, в том числе 46 рисунков и 4 таблицы, список литературы содержит 205 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрывается научная новизна, отмечена практическая значимость полученных результатов.

Глава 1. Термодинамический аспект криогенного текстурообразования

Глава носит обзорный характер. В первом параграфе показано, что в современных моделях криогенного текстурообразования важную роль играет промерзающая зона – мерзлый грунт вблизи температуры начала замерзания. Лед участвует при тепломассопереносе в промерзающей зоне вследствие его движения относительно грунтовых частиц (режеляции).

Во втором параграфе дается обзор по режеляции льда в системах двух видов: движение твердых, жидких и газообразных включений через лед и движение льда внутри твердого тела. Несмотря на длительную историю изучению этого явления, внимание ко второй системе было привлечено сравнительно недавно работами Р.Д. Миллера (1978-1985гг.) по моделированию криогенного текстурообразования в промерзающих грунтах. Некоторые допущения модели относительно движения льда через скелет грунта требуют экспериментального и теоретического обоснования. Поэтому изучение особенностей движения льда в модельных системах следует рассматривать как этап в построении физически обоснованной теории криогенного текстурообразования промерзающих грунтов.

Перенос жидкой фазы в мерзлых грунтах вблизи температуры начала замерзания происходит через незамерзшие грунтовые агрегаты. Поэтому в третьем и четвертом параграфах дается обзор равновесных и неравновесных свойств пористых сред, насыщенных раствором неэлектролита и электролита.

Основные результаты работы:

Глава 2. Модель бипористой среды

В данной главе представлена модель бипористой среды, ее основные свойства и общая постановка задачи о стационарном тепломассопереносе.

Бипористая среда регулярной структуры состоит из двух однородных (гомогенных) элементов - водонасыщенной мелкопористой среды и льда (рис. 1).

Элементы среды обладают следующими свойствами. Мелкопористая часть среды насыщена бинарным раствором электролита и проницаема для текучей субстанции. Каркас пористой среды не деформируем и изготовлен из нейтрального вещества, которое не вступает в реакции обмена с раствором электролита. Газовая фаза отсутствует.

Лед полагается жестким телом, непроницаемым для флюида, и может двигаться относительно каркаса мелкопористой среды вследствие режеляции, т.е. плавиться при сближении с препятствием и восстанавливать свою форму при удалении от поверхности полости за счет замерзания воды. При кристаллизации лед полностью отторгает инородные примеси.

Термодинамические условия обеспечивают сохранение льда в крупных порах и запрещают его проникновение в мелкие поры.

Изучается одномерный стационарный процесс тепломассопереноса. В силу симметрии проблема решается для одной элементарной ячейки (Рис. 2), на горизонтальных гранях которой заданы постоянные значения термодинамических величин: температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала. Потоки тепла и массы через боковые грани равны нулю. В градиентном поле термодинамических потенциалов лед может перемещаться относительно каркаса мелкопористой среды и в силу симметрии, скорость его движения параллельна оси Z.

Система кооординат привязана к каркасу пористой среды.

В пренебрежении конвективным переносом тепла, распределение температуры T в элементах ячейки E1 и E2 удовлетворяет уравнению Лапласа:

(1)

где – оператор Лапласа.

В пренебрежении термоосмотическими свойствами микропористой среды плотности потоков массы через нее линейно связаны с движущими силами – градиентами давления жидкости, электрического потенциала и концентрации раствора:

jV = kppp + kpe + kpscs

je = kepp + kee + kescs (2)

js = kspp + kse + ksscs,

где jV, je, js - плотности объемного потока раствора, электрического тока и молярного потока растворенного вещества, p - давление жидкости, плотность, - электрический потенциал, cs - молярная концентрация раствора, kpp, kpe,..., kss - коэффициенты переноса. Соотношения взаимности Онзагера для потоков и термодинамических сил (2) имеют следующий вид:

kpe = kep, , , (3)

где Vw - парциальный молярный объем воды в растворе, k – некоторый параметр, , w - химический потенциал воды в растворе. Далее в тексте индекс w будет обозначать воду, i – лед.

В работе предложен способ, позволяющий связать феноменологические k-коэффициенты с опытными величинами.

Уравнения движения ионов в объемном растворе обобщаются на ограниченное пространство посредством введения коэффициентов торможения i:

, i = 1, 2 (4)

где ci – молярная концентрация i-ионов в растворе; Di, ui - коэффициент диффузии и подвижность i-иона. Знак величины подвижности совпадает со знаком иона.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.