青藏铁路冻土区开放块石护坡路基降温机制研究

开放块石护坡路基是青藏铁路所采取的冷却地基保护冻土的一种主要措施。针对青藏铁路北麓河试验段现场的气温条件和地质条件,对北麓河试验段开放块石护坡路基在昼夜间和冷暖季的温度场、速度场和热流量进行分析和研究,探讨其降温机制。研究结果显示,块石护坡在暖季夜间存在一定的降温效果;块石护坡暖季由于遮阳作用存在热屏蔽效应,冷季放出的热量大于暖季吸收的热量,有利于保护冻土;块石护坡的主要换热方式是强迫对流换热,自然对流换热较少;块石护坡降温效果产生的主要机制是块石护坡的遮阳作用和块石护坡内空气在昼夜间、冷暖季流动速度的差异而引起的不平衡强迫对流换热。     

青藏铁路块石护坡温度场及路基冷却作用机理分析

主要通过非正线实体工程试验段块石护坡层内热量传递过程监测,对块石护坡结构冷却路基的作用机理进行研究。研究结果表明,块石护坡结构具有隔热保温和空气自然对流效应。随着气候条件昼夜温差和季节性温度变化,块石护坡层内隔热保温和自然对流效应表现出了昼夜、季节性交替组合过程,这一交替组合过程引起了块石护坡层内热量传递过程变化,从而影响块石护坡下部多年冻土热状态。路基下部土体热状态分析表明,块石护坡结构能够有效地降低路基下部土体温度。     

利用抛石护坡调节冻土路基阴阳坡的温度分布

由于铁路道碴和片石铺层的对流换热为多孔介质的热传导问题,为解决青藏铁路抛石护坡路基温度的计算问题,根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程,应用伽辽金法推导出了多孔介质对流换热的有限元公式,对具有阴阳坡的抛石护坡路基和普通路基在未来24a的温度变化分别进行了预报分析和比较。计算结果表明,对于阴阳坡温度相差1．8℃的普通路基,在阴阳坡增加片石直径为10cm,厚度分别为80,160cm的抛石护坡,就能达到使路基温度对称分布的目的,消除由于阴阳坡温度差的作用而造成路基下冻土上限不对称分布、引起路基的不均匀沉降以及形成路基纵向裂缝的病害。因此,应大力推荐该种路基作为青藏铁路冻土区有阴阳坡路段的路基结构,以便最大限度地保护冻土区的铁路。     

具有表面辐射的建筑室内自然对流换热的研究

随着人们生活水平以及节能意识的提高,对建筑热工性能评价和建筑节能越来越重视。将建筑房间简化为含有多孔介质的双区域模型,因此,此类模型被应用到更多的领域。通过数值模拟展现了实际建筑环境中各物理条件对室内通风与热环境的影响,为室内舒适度的建设提供了依据。基于有限元法对含有多孔介质复合腔体这一类双区域模型的壁面热辐射与自然对流耦合换热问题在建筑房间内的应用进行了数值模拟分析。模拟了不同工况下多孔介质复合腔体内的流场和温度场随时间的变化情况。结果表明,表面热辐射对建筑房间内的自然对流换热有明显的增强作用;冬季与夏季,中间层与顶层不同的边界条件影响着室内的对流换热即方腔热环境的改变;多孔介质厚度d较大时能减弱传热,当到达一定值时影响不明显。     

一种冻土地基冷却承载复合桩的冷却机理分析及效果

针对多年冻土地区桩基普遍存在的冻胀和热扩散问题，基于“主动冷却”地基的思想，结合碎石路基、碎石堆等大孔隙多孔介质在气温波动条件下具有的热二极管的效应，提出了一种用于冻土地区的新型桩；在冻融活动层深度范围的桩身表面刻制凹槽，利用槽内回填的碎石、块石等大孔隙多孔介质在外界大气温度自然波动下的对流换热机制，来达到主动冷却冻土和抬升冻土上限的目的：对其冷却机理及可行性进行了研究，运用数值仿真试验对比了桩身刻槽前后的温度场。结果表明，新型桩促进了冻土的发育，回冻时问大为缩短，冻土上限抬升。     

边界温度周期波动下块石的温度变化规律

将块径为 6～ 8cm、4～ 6cm和 2～ 4cm的块石分别装入直径为 15cm、高度为 5 9cm的有机玻璃筒内 ,进行了边界温度周期波动条件下块石体中一维温度场的测试 ,以考察多孔块石体中温度变化规律。试验表明 ,开放系统条件下 ,块石体温度随时间变化具有不对称性 ;温度随深度变化不符合基于热传导理论的傅立叶第一定律 ,具有迟缓性 ;块石体中的平均温度经过几个周期会低于其表面平均温度 ,说明其中存在对流换热机制。封闭系统条件下 ,三种块径的块石体的温度变化均无上述规律 ,表明其中对流换热机制尚不存在或十分微弱。     

路基改良土厚度研究

寒区工程中改良土降温实质是通过改变土自身结构来改变土层与外界的换热机制，从而降低土温，达到保护冻土的目的。利用多孔介质的换热机理，对改良土体中流体的自然对流换热进行了分析，得出了欲在土层中形成对流的最小的改良土层厚度，这在一定程度上为改良土在寒区工程中的运用起到了指导作用。     

太阳能多孔集热墙内传热与流动特性分析

分析了太阳能多孔集热墙内传热与流动过程，在局部非热力学平衡的条件下，采用双方程多孔介质模型对其进行数值模拟。获得了空气流速，多孔材料的当量导热系数，多孔介质骨架与气体间的对流换热系数以及多孔层厚度变化时的温度分布，分析这些因素对太阳能多孔集热墙性能的影响。结果表明，提高多孔材料的当量导热系数，多孔介质骨架与气体间的对流换热系数和增大多孔层的厚度对提高集热器的性能是有利的。降低空气速度可以提高空气的温升幅度，但是总的吸热量将会降低。     

温度周期波动时自然对流对块石导热系数测定的影响

分析了开放系统和封闭系统块石试样内部的热传输机理。数值计算和实验结果都表明,在较大的表面温度波动条件下,封闭系统的块石试样中有一定的自然对流效应产生,其降温效应随时间具有累加性,但在试样上部分中热传导占支配地位,使得试样内温度波的振幅衰减与指数规律符合较好。因此,确定路堤、护坡块石的导热系数可以采用封闭系统的细长试样。     

块石通风性能实验研究

青藏铁路广泛采用的块石护坡和块石路基是通过空气对流降低路基的温度起到保护冻土的作用。块石的粒径、孔隙率、通风能力直接影响块石路基的空气对流作用。孔隙率试验测试结果表明:孔隙率与粒径大小有关,随粒径增大而增大。粒径0.10～0.25m的块石,孔隙率大致在38%～48%。通过风洞试验发现,块石层内风压梯度与风速存在非线性关系,与速度的平方成正比;阻力系数随块石粒径增大而减小。通过青藏高原天然风速条件下块石通风基础通风能力分析,块石层起到很好的通风作用。因此,对于温度场的计算,建议考虑块石路基中风的强迫对流作用。     

多年冻土区公路路堤碎石层厚度的计算

通过变渗透率多孔介质流函数控制方程,分析了青藏公路碎石路堤冬季自然对流降温效应的发生和演化过程。结果表明:公路碎石路堤冬季自然对流降温效应从边坡区域最先开始形成,并随着冬季路面温度下降而逐渐向路堤中间区域发展。通过引入自然对流指数,分析了自然对流降温效应随路堤碎石层填筑厚度的变化规律,其可分为恒零区、急增区和缓变区3个阶段,急增区的起点和终点对应于路堤碎石层填筑的最小厚度和最大厚度。最后,利用自然对流指数具体计算了不同粒径碎石层填筑的临界厚度。     

高温围岩封闭空气夹层隔热的理论与数值分析

随着矿井开采深度的增加以及深埋隧道的发展,高地温地下空间热害问题日益突出,研究如何控制围岩散热在其热害治理中具有重要意义。结合空气夹层在建筑围护结构中保温隔热的作用,提出应用封闭空气夹层控制围岩散热量的隔热方法。利用FLUNET建模分析了巷道为不同截面形状时相应封闭空气夹层结构内的自然对流换热特性,拟合了不同形状巷道的空气夹层内平均自然对流强化系数的计算式K_ave=f(Ra,2δ₂/d₃)。得到以下结论:(1)不同形状巷道的自然对流强化情况不同,差异产生的原因是空气夹层顶部对流换热强度不同;(2)空气夹层隔热方法可有效降低巷道壁面的总放热量;(3)空气层厚度对岩壁散热量影响不显著,但巷道底部宽度对总放热量有明显影响,最佳空气层厚度为8 cm左右。     

碎石粒径对寒区路堤自然对流降温效应的影响

介绍了一种研究路堤碎石层自然对流效应的实验方法。对由碎石、卵砾石和砂砾石组成的6种试样进行了实验研究和理论分析,结果表明,在表面温度周期波动条件下,碎石层中能产生有利于寒区路基稳定的自然对流降温效应,利用平均Rayleigh数可确定碎石层自然对流的发生情况。在相同边界条件下,不同粒径的碎石层将产生不同的自然对流降温效应,其强度随粒径的增大而增大,并随表面温度周期波动而具有时间累加性。同时,确定何种粒径碎石的冬季降温效应为最佳还需要综合考虑其热传导性质。     

Experimental study of capillary-assisted evaporators

The paper presents the results of experimental work aimed at studying the effect of porous layer parameters on the thermal performance of water evaporators. The results show that there are optimum particle sizes that are associated with maximum boiling heat rates and heat transfer coefficients. The results also show that the layer thickness has monotonic effect on the evaporators’ performance but its impact is less pronounced compared to that of the particle size. The trends are explained in terms of the contradicting effects that exist within the layer. The research also showed that the effect of the heat load, represented by temperature and velocity of the load air, was negligible. Boiling heat transfer coefficients of up to 5 kW/m² °C were achieved.     

Convection from a cold window with simulated floor heating by means of a transiently heated flat unit

Windows play an important role in the energy performance of buildings. Measurements of the natural convection flow along a cold window surface have been carried our, in a climate chamber. A transient heating procedure was used, which was achieved by a heated flat unit placed horizontally below the window (similar to floor heating). The air temperature in the space outside the window was set to −12°C. The local Grashof number, Gr_x, ranged from 9.5 × 10⁷ to 3.0 × 10⁹. During heating, Gr_x was nearly unchanged at each measurement station along the window surface. The heating; procedure was found to have a negligible impact on the local heat transfer and on the distributions of velocity and dimensionless temperature in the near-window region. The local heat transfer data along the window surface are found to be correlated with Nu_x=0.0077 Gr_x^0.46. The mean convective heat transfer is discussed, and compared with previous results for the natural convection along a vertical plane or in an enclosure with different end temperatures. The velocity and temperature data show good agreement with power profiles, by modifying the characteristic scales that have been generally used for the natural convection boundary layer flow along a vertical flat plate. The results of the correlation and modification are presented.     

双能量方程在通风路基多孔介质中的应用

把通风路基看成是一种多孔介质，运用局部非热平衡模型，对通风路基巾空气与土粒之间的对流热交换进行数值分析，从而得出通风管风门开启与关闭的最优时间区段，为通风路基的设计提供理论依据。