發(fā)布時(shí)間：2020-11-12 06:31

　　 隨著地下蓄能應(yīng)用及研究工作的不斷深入，地下?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸受到廣泛關(guān)注。在低溫蓄冷或地源熱泵冬季供熱過(guò)程中，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，地下?lián)Q熱管內(nèi)循環(huán)液常會(huì)以低于0℃運(yùn)行，該低溫將致使換熱管周?chē)�土壤中的自由水凍結(jié)成冰，而使土壤體積膨脹，即出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。凍脹的產(chǎn)生，不但使土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而影響其傳熱效果，而且凍脹作用力發(fā)展到一定程度時(shí)會(huì)擠壓換熱管使其變形。管截面的變形可帶來(lái)諸如循環(huán)液溢流、流動(dòng)阻力增大等危害，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)將不能正常工作，因此地下?lián)Q熱管的凍脹擠壓變形問(wèn)題越來(lái)越受到重視。 為此，本研究結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目首次提出的地下?lián)Q熱器能力衰減與失效問(wèn)題，通過(guò)理論分析，實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算相結(jié)合的研究手段，在低于0℃的條件下，進(jìn)行管土結(jié)構(gòu)凍脹變形機(jī)理、演變過(guò)程以及可變影響因素的分析研究工作。該研究工作有利于拓展和完善地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)地下?lián)Q熱系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效運(yùn)行，進(jìn)一步為淺層地能應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)、健康、可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。 研究工作主要包括： 在對(duì)實(shí)際地下?lián)Q熱系統(tǒng)做出簡(jiǎn)化與限定的基礎(chǔ)上，建立了管土結(jié)構(gòu)凍脹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并提出巖土凍脹的凍結(jié)鋒面追蹤、換熱管變形的應(yīng)變測(cè)量以及管體內(nèi)構(gòu)測(cè)量等研究方法，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究工作奠定基礎(chǔ)。 應(yīng)用管土結(jié)構(gòu)凍脹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在研究單U型管土結(jié)構(gòu)凍結(jié)區(qū)、管體變形、管體受力、管容積以及流阻等基本變化特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件對(duì)影響其凍脹變形特性的溫變運(yùn)行模式、換熱管初始變形以及巖土粒徑度三方面作用因素進(jìn)行分析。以此為地下?lián)Q熱器在運(yùn)行模式、管體損傷以及回填料等方面的合理選擇和處置工作提供參考。 分析巖土凍脹變化的基本過(guò)程及其影響因素，對(duì)該過(guò)程所涉及到的巖土孔隙率變化、管土結(jié)構(gòu)凍脹變形、凍結(jié)巖土內(nèi)相變傳熱和管土接觸面相互作用進(jìn)行深入探討，基于ABAQUS仿真平臺(tái)以及熱力耦合子程序，建立管土結(jié)構(gòu)凍脹變形計(jì)算模型，同時(shí)按照凍脹變形實(shí)驗(yàn)的條件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證主要包括巖土凍結(jié)溫度場(chǎng)和管體變形應(yīng)變兩方面參數(shù)，結(jié)果表明該模型可以用于管土結(jié)構(gòu)凍脹變形規(guī)律的研究。該計(jì)算模型為地下?lián)Q熱器結(jié)構(gòu)凍脹變形分析奠定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。 基于所構(gòu)建的管土結(jié)構(gòu)凍脹變形計(jì)算模型，以典型的單U型管段、雙U型管段以及U彎管段為例，在連續(xù)降溫以及考慮進(jìn)出水溫差的工況下，對(duì)管土結(jié)構(gòu)凍結(jié)區(qū)內(nèi)溫度、冰體占比和應(yīng)力變化以及換熱管的位移、變形和受力等基本特性進(jìn)行模擬分析。從而在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)地下?lián)Q熱器在凍脹過(guò)程中的巖土凍結(jié)區(qū)發(fā)展變化和換熱管變形特征作出較為全面的認(rèn)識(shí)。 基于所構(gòu)建的單U型管土結(jié)構(gòu)凍脹變形計(jì)算模型，對(duì)影響其凍脹變形特性的換熱管溫度運(yùn)行工況（降溫模式、恒溫模式和進(jìn)出水溫差）、管體結(jié)構(gòu)參數(shù)（管間距和管徑）以及巖土特性參數(shù)（初始應(yīng)力、彈性模量和初始含水量）三方面因素開(kāi)展更為深入的計(jì)算模擬研究。以此為合理選擇運(yùn)行方式、置管結(jié)構(gòu)以及在不同回填環(huán)境下預(yù)測(cè)凍變程度等相關(guān)問(wèn)題提供參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TK523
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及意義
    1.2 關(guān)于地下?lián)Q熱器能力衰減與失效問(wèn)題
        1.2.1 地能利用及其地下蓄能
        1.2.2 地下?lián)Q熱器結(jié)構(gòu)變異
    1.3 相關(guān)管土結(jié)構(gòu)凍脹變形研究現(xiàn)狀
        1.3.1 國(guó)外研究狀況
        1.3.2 國(guó)內(nèi)研究狀況
    1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容與方法
    1.5 本章小結(jié)
第2章 管土結(jié)構(gòu)凍脹實(shí)驗(yàn)及其方法研究
    2.1 凍脹變形應(yīng)變測(cè)量
        2.1.1 電阻應(yīng)變片
        2.1.2 電測(cè)原理
        2.1.3 溫度影響修正
    2.2 凍脹變形管體內(nèi)構(gòu)測(cè)量
        2.2.1 內(nèi)徑
        2.2.2 管容積
        2.2.3 流阻變化
    2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝備及其測(cè)試
        2.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
        2.3.2 測(cè)試系統(tǒng)
    2.4 本章小結(jié)
第3章 換熱器管體凍脹變形和影響因素作用特性實(shí)驗(yàn)分析
    3.1 凍脹變形基本特性
        3.1.1 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定
        3.1.2 巖土溫度與凍結(jié)區(qū)域變動(dòng)性
        3.1.3 管體應(yīng)變與受力
        3.1.4 容積與流阻變化
    3.2 低溫流體溫變影響
        3.2.1 流體溫變模式
        3.2.2 巖土溫度與凍結(jié)半徑變化
        3.2.3 管體應(yīng)變與受力
    3.3 換熱管初始變形影響
        3.3.1 初始形態(tài)
        3.3.2 凍結(jié)半徑變化
        3.3.3 應(yīng)變延展差異
    3.4 巖土粒徑度作用特性分析
        3.4.1 兩種粒徑度巖土
        3.4.2 凍結(jié)半徑變化
        3.4.3 管體應(yīng)變與受力差異
    3.5 本章小結(jié)
第4章 管土結(jié)構(gòu)凍脹變形計(jì)算分析方法與建模
    4.1 巖土凍脹物理過(guò)程
        4.1.1 凍脹巖土
        4.1.2 凍脹作用基本要素
    4.2 管土凍脹變形數(shù)學(xué)描述
        4.2.1 巖土孔隙率函數(shù)
        4.2.2 管土變形控制方程
        4.2.3 巖土相變傳熱控制方程
    4.3 管土接觸面算法處理
        4.3.1 接觸面離散
        4.3.2 接觸跟蹤處理
        4.3.3 接觸狀態(tài)算法
        4.3.4 接觸面摩擦關(guān)系
    4.4 程序設(shè)計(jì)與算法應(yīng)用
        4.4.1 設(shè)計(jì)程序關(guān)聯(lián)
        4.4.2 算法確立
    4.5 計(jì)算模型與驗(yàn)證
        4.5.1 模型
        4.5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    4.6 本章小結(jié)
第5章 典型管土結(jié)構(gòu)凍脹變形數(shù)值計(jì)算分析
    5.1 單 U 型結(jié)構(gòu)
        5.1.1 單 U 算例模型
        5.1.2 單 U 型巖土凍結(jié)區(qū)基本特性
        5.1.3 單 U 型管體凍脹變形基本特性
    5.2 雙 U 型結(jié)構(gòu)
        5.2.1 雙 U 算例模型
        5.2.2 雙 U 型巖土凍結(jié)區(qū)基本特性
        5.2.3 雙 U 型管體凍脹變形基本特性
    5.3 U 彎管段結(jié)構(gòu)
        5.3.1 U 彎管段算例模型
        5.3.2 U 彎管段巖土凍結(jié)區(qū)基本特性
        5.3.3 U 彎管段凍脹變形基本特性
    5.4 本章小結(jié)
第6章 影響因素作用特性數(shù)值計(jì)算分析
    6.1 換熱管溫度工況影響
        6.1.1 關(guān)于降溫工況
        6.1.2 關(guān)于恒溫工況
        6.1.3 關(guān)于進(jìn)出水溫差影響
    6.2 地下?lián)Q熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)影響
        6.2.1 管間距
        6.2.2 管體直徑
    6.3 巖土主要參數(shù)影響
        6.3.1 巖土初應(yīng)力
        6.3.2 巖土彈性模量
        6.3.3 巖土初始含水量
    6.4 本章小結(jié)
第7章 總結(jié)和展望
    7.1 總結(jié)
    7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間所取得的科研成果
后記和致謝

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本文編號(hào)：2880385