饱和含水冻土区埋地管道水热耦合数值模拟

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1、2011年11月西安石油大学学报(自然科学版)NOV．20l1第26卷第6期JournalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)Vol_26No．6文章编号：1673-064X(2011)06-0066-04饱和含水冻土区埋地管道水热耦合数值模拟付俊鹏，马贵阳(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001)摘要：通过对冻土区管道运行研究，提出针对管道安全运行的措施．采用有限容积法，得到多年冻土多孔介质水热耦合数学模型，地表面温度采用随年周期性变化条件，应用SIMPLER算法对模型进行数值求解．

2、通过对无保温层和有相同厚度两种保温材质的管道在春季、夏季和冬季的土壤温度场进行数值模拟，显示在地表温度波动的条件下，热流密度随土壤温度波动呈现周期性变化．在长期运行管道中，无保温措施的管道周围冻土融化剧烈，管壁热流密度大且振幅波动大．使用厚度为40mm的两种保温材料中，40mm聚氨酯保温效果较好．冻土区运行管道应加敷导热系数较小的保温材料，可极大降低融化深度，保护管道安全运行．关键词：冻土区；埋地管道；保温层；水热耦合；数值模拟中图分类号：TE867文献标识码：A在温度场与水分场耦合问题的研究中，经常假动量怛、能量万程守恒方程如卜：设土壤在空间上是分层均质

3、的，土壤含水量较小，均(1)质量守恒方程为匀分布各向同性．冻土层作为隔水层，无地下水补给+v．()．：0．(1)及其他边界的水分补给和排泄作用，各土层含水量式中：lf为速度矢量，m／s；t为时间，s；p为流体密度稳定．但实际多年冻土具有较强的源汇作用，水分场kg／m。是不可忽略的因素1]．以往只考虑其单一输运，未．(2)动量守恒方程为讨论二者耦合效应．土壤中温度分布不均，不仅导致热流，而且影响水分流，尤其在多年冻土区，土壤温+V·(p~uxu)=O+V·(／zgra)+x度引起水的相变更加明显j．水分迁移同样伴随热量流．分析水热场耦合迁移运动，需建立符合实

4、际的(1II)+绛(2)水热耦合方程．+V．(p州一ap+·(／xgra)+1数学模型(c1II)++以下为饱和冻土多孔介质水热耦合控制方程．pfgot(T一ef)．(3)土壤孔隙是指孔隙中完全充满水时水的质量与式中'-U，U分别为U在，Y方向上的速度矢量，固体颗粒质量之比．假设土体各相均质连续，相变过程流体密度变化符合boussinesq假设，低速渗流时，Ⅱs；=150南为多孔介质渗透率，m；c·=水分迁移符合达西定律，忽略由相变融化引起的速度变化4。．根据有限容积理论，建立的质量守恒、×{为惯性损失系数，m一；8为孔隙率，无收稿日期：2011-06-2

5、0基金项目：辽宁省自然科学基金项目“冻土区埋地管道周围土壤水热力耦合问题研究”(编号：20082186)作者简介：付俊鹏(1985-)，男，主要从事冻土区管道土壤水热力耦合研究．E-mail：fu_jun_peng@126．com付俊鹏等：饱和含水冻土区埋地管道水热耦合数值模拟一67一因次；p为孔隙压力，Pa；D为粒子平均直径，mm；2数值模拟分析为流体动力黏度，Pa·S；为流体膨胀系数，1／K，A为固液糊状区常数，用来反映冻结前锋的形计算边界条件J：态；为液相分数，无因次，Y=0处，A=k(一)，其中=l1．63+0，T

6、<：7’<：iuiaus；7．0，为风速，m／s，A为有效导热率，W／(m·K)．Tk=268+26sin(27rt／31536000)为一年内地T>iquid．，表环境温度周期变化，K．为流体温度，K；为流体基准温度，K；为凝mI=0，=f处，I=o，z为计算模型固温度，K；Tli为融化温度，K．dI=0．=(3)能量守恒方程为边界．-3{7pfhf+(1一y)ph]+(1一e)pph}+r=处，A=OL(一)，其中h为原油Uo，V·[u(phf)]=7·(k7T)．(4)与管道内壁的当量换热系数，117W／(111·K)，R为式中：为液体所占孔隙分数；

7、为液相介质的焓，管道内径，in，rw为管内原油温度，K．J／kg；h。为相变后固相介质的焓，J／kg；h。为多孔介计算选用输油温度为330K，管径R=720mm，质骨架的焓，J／kg．其中k=ykf+(1—)k]+壁厚9mm．管道中心距地面h=2In．初始地温一5(1一)k。，为有效导热率，W／(m·K)；k为液相热℃，冻土土壤导热系数A=1．47W／(m·K)，比热导率，W／(ITI·K)；为固相热导率，w／(Ill·K)；k。C。=1764J／(kg·K)，冻土土壤密度P=1680为多孔介质骨架热导率，w／(in·K)；p=[1一(T—kg／m．忽略管

8、道轴向温降，建立二维非稳态传热模)]为固相介质密度，ks／In；p