季节条件下冻土形成

季节条件下冻土形成

季节性冷却装置旨在在铁路路堤和公路周围的输电塔和管道支座周围有通风地下的建筑物的地基中，对融化的地面进行冻结，并对塑料地基进行冷却，以提高其承载能力并防止桩身在多年冻土分布地区突然浮出。您可以在网站的此页面上了解有关地面热稳定技术的更多信息。
如今，在Frost 3D软件包中可以有效地解决季节性冷却设备热影响的地面模拟问题。为此，需要以下数据：
1.气象数据（表1）：气温，风速和积雪厚度；
2.地面的工程地质结构（表2）及其在计算开始日期的初始温度（表3）；
3.地质层的热物理性质（表4）：融化和冻结状态下的热导率和体积热容量，未冻结水的图，相变温度，地面密度；
4.热虹吸管的技术特性（表5）。
表1-气候数据

表2-每个井的土层厚度

表3-2016年10月1日地面温度分布

图1-软件中的2D编辑器中的地质井位置

需要考虑模拟区域的大小，以使年温度变化不会比零热经济性的温度影响地热状况更深。还必须考虑热虹吸的影响，并考虑到计算区域的边沿和下边界，以使在此距离处对地热分布没有影响。基于这些考虑，决定采用25х25х30米的计算面积（图2）。由于已知地面的地质结构仅距地面14米，因此决定将地面的最后一层增加（EGE-7）16米。

图 2-创建的3D计算区域

在软件库（图3）中设置了地面的热物理性质（表3），然后在计算域的整个深度上设置了每个地面层的热物理性质以及初始温度（图4）。

图3-设置地面土壤的热物理性质

图4-沿深度设置地面初始温度

为了随后对冷却装置在地面上的影响进行仿真，有必要在三维计算域中创建和定位冷却装置（图5）。热虹吸管的操作在软件数据库的相应部分中进行了说明。

图5-使用季节性降温设备创建3D计算区域

热风运行模拟的特征
在数据库中，有必要为热虹吸操作说明设置以下值：
1.所考虑区域的全年气温。
2.空气和冷凝器的热交换系数，确定冷凝器的对流传热。该系数可以在Frost 3D热交换条件求解器中根据冷凝器的设计特征进行计算（图7、8）。
3.冷凝器和蒸发器之间的温度差是由于压力差（特别是沸腾冷却剂的中层和上层中的静水压力）导致的总温度损失。
4.热虹吸管的热阻通过将热量从地面传递到蒸发器来表征额外的温度损失。该参数的值由在冷却装置的热负荷达到一定值时蒸发器和冷凝器上的实验温度值定义。
5.季节性冷却装置的设计数据：
蒸发部分的管道半径；
蒸发部分与地面接触的区域；
冷凝器部件的散热片面积，与环境接触。

图 6-描述季节性冷却设备运行的参数设置

图7-计算季节性冷却装置的冷凝器部分与空气的热交换系数

图 8-计算出的冷却装置冷凝器与空气的热交换系数

计算区域边界上的边界条件
创建计算区域的三维模型之后，有必要在其边界上设置以下边界条件，这些边界条件需要在数据库中创建：
在计算区域的上边界，必须设置3种边界条件（图9），在该条件下需要定期输入随时间变化的空气温度（图10）和热交换系数（图11）。地面与空气的热交换系数由风速计算得出。在寒冷季节，热交换系数还受积雪高度（图12）及其密度（图13）的影响，可以在边界条件的相应参数中设置这些值。
在侧面，将热流设置为零，因为侧面距季节性冷却装置的距离相当远，并且假定计算区域侧边界后面的地温将与其边界处的沉降区域的温度相对应。
在计算区域的下部边界上，永久冻土地面的恒定温度设置为-0.34 C，因为下部边界与热源之间的距离足够远，并且不受季节性制冷设备工作的影响。

图 9-地面上的边界条件设置

图10-气温与时间的关系

图11-换热系数与时间的关系

图 12-积雪厚度与时间的关系

图 13-积雪密度与时间的关系

模拟结果
从2018年10月1日到2024年5月1日，对计算机模型进行了5年的热分析。下面以温度颜色分布和未冻结水含量的形式显示了季节性垂直设备对地面的影响。每月15日的区域（图14、15）。
图 14-季节性冷却装置位置的模拟区域横截面中的温度地面状况
图 15-季节性降温装置所在位置的模拟区域横截面中地面的未冻结水分
根据收到的计算结果，自动创建季节性制冷装置蒸发部分所有表面的制冷量方案（图16）。该方案可用于在所考虑的气候条件下评估热虹吸管的效率。

图 16-在整个模拟过程中自动创建的季节性制冷设备制冷量方案