高海拔冻土隧道洞内施工环境温度场数值模拟

摘要

高海拔、高寒区的外界气候环境以及冻土围岩的特殊性,减少施工对冻土原始地温场的扰动和保持隧道混凝土结构质量以及人员、设备的正常作业,对洞内环境气温要求是严重对立的一对矛盾.因此,洞内环境气温的控制是保护冻土、保证隧道施工正常作业和工程质量的关键因素之一.在青藏铁路昆仑山和风火山隧道的恶劣气候环境下,洞外冷空气、隧道施工通风、供热、施工热源和冻土围岩间的相互换热及平衡过程十分复杂.该文将风筒供风流和隧道回风流传热问题简化为相互关联的热力学模型,研究风筒送风流和隧道内回风流的换热与平衡规律,采用有限差分数值法以Matlab语言为开发平台,编写非稳态环境下紊流流动的风流温度场计算程序,进行风筒和隧道内风流温度场计算模拟.根据高海拔、高寒区的气温环境以及冻土围岩特殊性,该论文首先研究确定了在寒季应保持隧道工作面的气温值和供热风筒末端所需的风温值;研究了供热风筒沿程热交换和风筒始端所需的风温大小;隧道在通风供热过程中沿程的热交换,沿程的分布温度场及热平衡所需的时间;还讨论了高压风管风流和高压水管水流温度场分布,以及对应的工程措施.高海拔、高寒区的隧道施工中,由于受外界高寒气温环境和洞内冻土围岩保护的要求,需要保证施工工作面的温度,需要分析隧道及风筒内气体温度场的分布规律,确定合理的送风温度和工作面温度值,为保护冻土及施工环境温度调节与控制奠定基础,指导高原隧道通风与供暖的设计与施工.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章引言

1.1选题的意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容及方法

1.3.1主要研究内容

1.3.2主要研究方法

1.4选题的来源及背景

1.4.1昆仑山隧道工程概况

1.4.2风火山隧道工程概况

1.4.3昆仑山和风火山隧道工程特点

1.4.4昆仑山和风火山隧道气温情况

第二章风流温度场模型计算参数

2.1隧道几何参数

2.2风筒几何参数

2.3隧道内气体对流换热系数

2.4风筒内气体对流换热系数

2.5隧道内热源强度计算

2.6风筒内热源强度计算

2.7边界条件的处理

第三章开挖工作面风温预测

3.1隧道开挖工作面温度影响因素

3.1.1机械散热

3.1.2人员的放热

3.1.3爆破散热

3.1.4围岩散热

3.1.5 风流通过工作面膨胀吸热

3.1.6工作面风流增湿吸热

3.2隧道开挖工作面风温预测

3.2.1 工作面风温预测模型

3.2.2 工作面风温计算

第四章隧道通风热力学模型的建立

4.1流体和传热的基本方程

4.1.1连续方程

4.1.2运动方程

4.1.3能量方程

4.1.4传热学方程

4.2气体系统储存能

4.2.1内能

4.2.2外储存能

4.2.3风流系统总储存能

4.3风流系统与外界传递的能量

4.4隧道洞内风流温度场物理模型的建立

4.4.1导入与导出微段体的净热量

4.4.2隧道围岩和风筒向隧道微段内风流散发热量

4.4.3隧道微段风流内能的增加

4.5风筒内风流温度场物理模型的建立

4.5.1导入与导出微段体的净热量

4.5.2隧道风流向风筒散发热量

4.5.3风筒微段风流内能的增加

4.5.4 风筒内微段风流热平衡方程

4.6偏微分方程的差分解法

4.6.1内节点差分方程

4.6.2边界节点差分方程

第五章环境温度场计算结果与分析

5.1风筒内风流温度场

5.2隧道内风流温度场

第六章高压管道温度场计算

6.1高压风管风流温度场

6.1.1计算参数

6.1.2高压风管内风流温度场

6.2高压水管水流温度场

6.2.1用水量计算

6.2.2热力学参数计算

6.2.3高压水管内水流温度场

第七章结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文