水熱耦合對凍土區(qū)埋地管道土壤溫度場的影響

陳笑寒，馬貴陽，杜明俊

水熱耦合對凍土區(qū)埋地管道土壤溫度場的影響

陳笑寒，馬貴陽，杜明俊

(遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿雷畛Ｒ姷陌踩珕栴}是凍害破壞。當(dāng)環(huán)境溫度降至冰點(diǎn)以下，土壤中水分的凍結(jié)將伴隨著水分向凍結(jié)前鋒遷移，產(chǎn)生不均勻凍脹，加之周期性不可逆的凍融循環(huán)，極易造成管道失穩(wěn)甚至破裂。研究管道凍害成因，應(yīng)先預(yù)測埋地管道周圍土壤凍融過程中溫度場的變化，以及溫度場與水分場的變化關(guān)系。采用有限體積法，建立土壤多孔介質(zhì)水熱耦合相變模型，利用SIMPLER算法進(jìn)行數(shù)值求解，為了研究水分對土壤溫度場的影響，這里對無水土壤和飽和含水土壤兩種極限情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：在輸油管道運(yùn)行初期，兩種情況土壤溫度場接近，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，飽和含水土壤溫度場偏高，水分遷移和冰水相變對土壤溫度場具有一定影響。

熱油管道； 水分遷移； 冰水相變； 溫度場； 數(shù)值模擬；

以往對土壤溫度場的研究過程中，不論是多年凍土區(qū)的季節(jié)融化過程，還是季節(jié)凍土區(qū)的季節(jié)凍結(jié)過程，大都假設(shè)土體在空間上分層均勻，土體含水量較小，且不考慮是否有源匯補(bǔ)給和排泄作用，事實(shí)上土體中水分場對溫度場有這至關(guān)重要的影響[1-2]，土體中溫度的變化會引起水份遷移，使土體局部含水量發(fā)生改變，水分在遷移的過程中攜帶熱量，從而改變土壤溫度場。且含水量的改變，又會引起局部土體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱發(fā)生變化，從而影響傳熱過程及溫度分布[3]，低溫會引起土體凍融相變使水分向凍結(jié)前鋒運(yùn)移并釋放潛熱。準(zhǔn)確預(yù)測土壤溫度場的變化，對于科學(xué)合理計(jì)算管道安全停輸時(shí)間具有重要意義。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

忽略管道軸向溫降，建立二維計(jì)算模型。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，距地面一定深度處，大地自然溫度年終變化＜1 ℃?？梢哉J(rèn)為是恒溫層，距輸油管道截面水平方向一定距離處對管道熱量的耗散影響非常小，可認(rèn)為是絕熱的[4]。故簡化的物理模型見圖[1]。

圖1 管道計(jì)算物理模型Fig. 1 Physical model of pipeline computation

1.2 水分遷移相變數(shù)學(xué)模型

土壤作為多孔介質(zhì)內(nèi)部流體流動(dòng)及相變過程十分復(fù)雜，有限容積法是處理多孔介質(zhì)流動(dòng)相變問題常用的理論方法[5-6]。假設(shè)土體各項(xiàng)均質(zhì)連續(xù)，相變過程流體密度變化符合 boussinesq假設(shè)，水分遷移符合達(dá)西定律，忽略由相變?nèi)诨鸬乃俣茸兓?。根?jù)有限容積理論，建立的質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒，能量方程守恒方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中：U —為流體速度，m/s；

ρf—為流體密度，kg/m3；

t —為時(shí)間，s。

動(dòng)量守恒方程：

式中：u，v—分別為U在x，y方向上的速度分量，m/s；

ε—孔隙率；

p—孔隙壓力，Pa；

Dp—粒子平均直徑，mm；

μ—流體動(dòng)力粘度，Pa·s；

α—流體膨脹系數(shù)，1/k；

Amulsh—固液糊狀區(qū)常數(shù)，用來反映凍結(jié)前鋒的形態(tài)；β—液相分?jǐn)?shù)。

能量守恒方程如下：

式中：γ —液體所占孔隙分?jǐn)?shù)；

hf—液相介質(zhì)的焓，J；

hs—相變后固相介質(zhì)的焓，J；

hp—多孔介質(zhì)骨架的焓，J；

—有效導(dǎo)熱率，W/（m·K）；

kf—液相熱導(dǎo)率，W/（m·K）；

ks—固相熱導(dǎo)率，W/（m·K）；

kp—多孔介質(zhì)骨架熱導(dǎo)率，W/（m·K）；

1.3 邊界條件

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

某熱油管道，管徑512 mm,壁厚6 mm,埋深1.6 m,初始油溫325 K，地表風(fēng)速1 m/s,環(huán)境溫度253 K,初始地溫275 K,土壤密度1 680 kg/m3,比熱2 150 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù) 1.512 W/(m·K),計(jì)算區(qū)域 5 m×5 m。

圖2-5給出了2種極限情況下，埋地管道輸油50,100,150,200 h后的土壤溫度場等值線圖，分析可知：初始輸油一定時(shí)間后，2種情況，管道上方土壤溫度等值線變化較大，飽和含水土壤中 270 K等溫線位于地表以下約0.2 m處。而無水土壤中270 K等溫線位于地表以下0.4 m處，飽和含水土壤管道上方土體溫度明顯高于無水土壤的情況（見圖2）。這主要是由于受地表低溫的影響，使水分向凍結(jié)區(qū)遷移，且在遷移的過程中攜帶管道散失的熱量，加之冰水相變釋放潛熱，使土壤儲熱能力增強(qiáng)，致使管道上方土體溫度偏高。而管道下方土壤溫度場變化趨勢接近。

圖2 埋地?zé)嵊凸艿垒斢?0 h后土壤溫度場等值線Fig. 2 The temperature field isoline of underground hot oil pipeline after running for 50 h

圖3 埋地?zé)嵊凸艿垒斢?00 h后土壤溫度場等值線Fig. 3 The temperature field isoline of underground hot oil pipeline after running for 100 h

圖4 埋地?zé)嵊凸艿垒斢?50 h后土壤溫度場等值Fig. 4 The temperature field isoline of underground hot oil pipeline after running for 150 h

當(dāng)考慮水分對土壤溫度場的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：管道周圍飽和含水土壤溫度場與無水土壤溫度場相比差異較大，主要表現(xiàn)為管道附近飽和含水土壤等溫線向兩側(cè)和上下擴(kuò)展，且縱向變化小于橫向變化。

圖5 埋地?zé)嵊凸艿垒斢?00 h后土壤溫度場等值線Fig. 5 The temperature field isoline of underground hot oil pipeline after running for 200 h

這主要是由于管道不斷向土壤傳熱，使管道下方土壤溫度場趨于穩(wěn)定，溫度梯度變化小，而管道上方和兩側(cè)土體受地表環(huán)境溫度影響較大，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，土壤凍結(jié)鋒面逐漸向管道移動(dòng)并趨于穩(wěn)定，在此期間大量未凍水在溫度梯度的作用下，開始向凍結(jié)前鋒遷移，在遷移的過程中將管道散失的熱量攜帶到土壤中，從而使飽和含水土壤溫度場整體偏高，見圖3-圖5。

3 結(jié)論及建議

通過對凍土區(qū)埋地管道周圍土壤溫度場的計(jì)算表明；兩種模型計(jì)算得到的土壤溫度場存在一定差異，且隨著管道運(yùn)行時(shí)間的延長，差距越明顯，飽和含水土壤溫度場明顯偏高。說明水分遷移，冰水相變對土壤溫度場影響較大，不能忽略。

[1] 馬貴陽，劉曉國，鄭平．埋地管道周圍土壤水熱耦合溫度場的數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(1)：41-43.

[2] 鄭平,馬貴陽．凍土區(qū)埋地輸油管道溫度場數(shù)值模擬的研究[J].油氣儲運(yùn)，2006，25(8) ：25-28.

[3] 胡延成，馬貴陽，楊濤.埋地管道相應(yīng)啟動(dòng)過程的數(shù)值模擬計(jì)算[J].油氣儲運(yùn)，2009，28（6）：26-29.

[4] 楊宇 孫建剛 劉振民.埋地?zé)崃艿佬孤Υ蟮販囟葓鲇绊懙臄?shù)值仿真分析[J].油氣田地面工程，2004（6）：33-35.

[5] 盧濤，姜培學(xué)．多孔介質(zhì)融化相變自然對流數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26：167-176．

[6] 盧濤，佟德斌．飽和含水土壤埋地原油管道冬季停輸溫降[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）：37-40；66-72．

Influence of Hydrothermal Coupling on Hot Soil Temperature Field Around Underground Pipelines

CHEN Xiao-han,Ma Gui-yang,DU Ming-jun
(School of Storage-Transport and Architecture Engineering. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

A freezing damage is a common problem for pipelines buried in frozen underground area. When the temperature drops below freezing, frozen soil moisture moves forward along with freezing of water, which can result in heterogeneous freezing expansion, combined with periodic freeze-thaw cycle，pipelines are easy instability or break. To study freezing damage and take scientific and effective measures to prevent freezing damage, it is necessary to predict the changes of the temperature field of frozen soils around underground pipelines in the freeze-thaw process, and the change relationship between the temperature field and moisture field .In this paper，a porous medium soil hydrothermal coupling phase change model was established with finite volume method, the temperature field of the soils around underground pipelines was numerically simulated by using SIMPLER method, influence of moisture on soil in the temperature field was studied, the comparative analysis of anhydrous soil and water saturated soil was carried out. The results show that during initial operating stage,two cases of soil temperature field are close, with running time going on, the temperature field of water saturated soil is high , the moisture transfer and phase change have definite effect on heat transfer of the soils.

Hot oil pipelines；Moisture transfer；Ice-water Phase change；Temperature field；Numerical simulation

TE 832.3

A

1671-0460（2010）06-0693-03

2010-06-07

陳笑寒（1985-），男，遼寧撫順人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士，研究方向：凍土區(qū)埋地管道水熱耦合數(shù)值計(jì)算。E-mail：624667587@qq.com，電話：0413-8703244。

馬貴陽（1965-），男，教授，博士，研究方向：油氣儲運(yùn)工程數(shù)值計(jì)算。E-mail：guiyangma1@163.com。