地层液氮冻结器表面温度分布规律研究

摘要

作为一种新兴的冻结施工方法，液氮冻结法由于其冻结系统简单、冻结速度快、温度低、冻土强度高和无污染等技术优势，在我国城市地下工程地基加固和局部抢险工程中获得了较广泛的应用。但液氮冻结技术作为新的施工技术本身还存在许多问题，特别是液氮在冻结器内温度梯度大的问题，易造成液氮供应量过多、冻结工期延长，对控制液氮供应量和实现冻结是极其不利的。
　　本文基于液氮冻结过程中冻结管壁纵向温度梯度大的问题，应用理论分析、现场试验、数值模拟以及工业性试验应用相结合的方法对这一问题进行了研究。介绍了液氮冻结施工工艺，并通过工程实例，说明了目前冻结施工过程中存在的问题。通过分析液氮冻结过程中冻结管壁温度梯度过大的原因，根据目前冻结施工的现状，设计了几种不同的供液管结构形式并分别进行了试验，通过多组测温数据分析，得出液氮冻结过程中供液器结构形式对冻结效果灵敏度影响关系大小依次为:透气孔开孔直径＞透气孔开孔间距＞供液管直径，试验得到的最优的冻结器结构形式为:Φ25.5×4mm低碳无缝钢管作为供液管，透气孔间距为330mm，透气孔开孔直径为5mm和8mm的冻结器。经过理论分析，建立了有限元数值分析模型，对试验采用的供液器结构形式进行了数值模拟，模拟结果与试验结果基本吻合。最后选用试验状态得到的冻结器最优结构形式，应用到液氮冻结工程中，测温数据结果表明，冻结加固区土体上中下部温差较小，形成的冻结柱体直径差较小，冻结效果良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 研究现状

1．2．1 温度场研究

1．2．2 液氮冻结技术研究

1．2．3 数值模拟技术研究

1．3 本文研究的主要内容

第二章 液氮冻结温度场实测研究

2．1 液氮快速冻结工艺

2．1．1 液氮冻结施工工序

2．1．2 工艺设计研究需考虑的因素

2．2 温度场实测研究

2．2．1 工程概况

2．2．2 冻结设计

2．2．3 冻结制冷系统安装

2．2．4 施工简况

2．2．5 冻结监测及效果分析

2．3 本章小结

第三章 液氮冻结现场试验

3．1 试验目的

3．2 试验方案

3．2．1 试验选用材料

3．2．2 试验准备工作

3．2．3 试验实施过程

3．3 实测结果分析

3．3．1 垂直冻结效果分析

3．3．2 水平冻结效果分析

3．3．3 供液管上不设透气孔时冻结效果分析

3．4 本章小结

第四章 液氮冻结器表面温度场数值模拟

4．1 液氮冻结热流耦合瞬态温度场数学模型

4．1．1 液氮流动基本物理力学量

4．1．2 液氮冻结基本微分方程组

4．1．3 液氮冻结黏性流动微分方程组

4．2 液氮冻结瞬态温度场数值解法

4．2．1 有限元法求解液氮冻结过程

4．2．2 ANSYS软件简介

4．2．3 模型建立

4．2．4 数值模拟结果

4．3 本章小结

第五章 工业性现场应用

5．1 施工方案设计

5．2 冻结制冷系统安装

5．3 冻结监测

5．4 施工简况

5．5 效果分析

5．5．1 现场冻结情况

5．5．2 测温孔温度情况

5．5．3 冻结效果分析

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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