寒区埋地管道周围土壤温度场的确定

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摘 要：建立寒区埋地管道周围土壤温度场的计算方程，并讨论不同地表温度与土壤含水量的情况下，土壤温度场的变化。分析保温材料导热系数与保温层厚度对管道散热量的影响，这两项是对管道散热量影响很大的两项。管内水温对管道散热量影响也很大，管道埋深与保温材料的导热系数对保温层厚度的影响很大。随随着材质热导率的增加，所需的保温层厚度越大。在管道埋深较大时，管道埋深和管道外径对保温层厚度影响较大。在确定保温层厚度时，要从管道埋深，保温材料，管径等多方面考虑，以选择最合适的保温层厚度。

关键词：管道；保温；温度场

在对寒区村镇的供水管道保温防冻进行调研之后，为输水管线保温方式的确定提供了依据。在确定保温方式之前，首先要确定埋地管道周围的土壤温度场。在寒冷地区冻害是最常见的埋地管道遇到的工程问题。当空气温度下降到0℃以下，当土壤水分开始结冰，发生冻胀。因此，需要确定管道周围土壤的温度场。

1 土壤温度场模型的建立

1.1 土壤冻胀机理

土壤中的水分不断冻结和融化是水的相变过程，土壤中水分释放热量，温度降低。当温度降低到起始温度降低到起始冻结温度，在土壤中的水分开始冻结。由于土壤中水分存在的形式和状态的不同，导致冷冻过程是不一样的。当给水管道铺设在季节性冻土中时，会与周围的环境不断地发生热交换，当管内温度达到冰点甚至是冰点以下时，管内的水就会结冰，并挂在管壁上，导致流通断面减小，冰塞会阻碍水的流动，因此发生冻害。且管外温度越低，发生冻害的机率就越大，这一因素对冻害是否发生起到决定性。地表温度会随着辐射热发生明显变化，由于土壤的导热性不强，使得土壤的温度随土层厚度的增加而而受气温的影响逐渐变小。气温的降低导致冻土层深度的加深。

1.2 土壤温度场模型的建立

1.2.1 管道物理模型的建立。模拟埋地管道周围土壤的温度场时，温度的变化表现出周期余弦规律，而不同深度下的温度的振幅衰减不同。深度h的土壤温度可以被认为是保持不变的，被称为恒定的温度。上述理论分析是温度场的假设土壤是均质的，忽略同一深度的水平温度变化形成的。土壤中可被认为类似于半无限均质体，温度变化仅发生在深度方向上，土壤温度场分布为一维。水平径向距离管道（即图示于x轴方向，其中，对热量的影响是很小的，可以被认为是绝热的（即没有热交换），在管道的径向距离l的水平一定可以被认为是绝热的；地球表面，是第三类边界条件；忽略轴向方向的温度变化，埋地管道的物理模型；长2L，该矩形区域中的热量的不规则区域的深度h。

1.2.2 数学模型的建立。在冬季，计算最冷月时埋深对土壤温度场的影响。温度的周期变化可忽略，认为此时处在稳定工况下。本文引用的稳态条件。

在此种工况下：（1）给水管道的管壁与管内的介质存在对流换热，属于第三类边界条件，在流动工况下，忽略管内介质的温度变化，忽略管壁的厚度。（2）地表与空气直接接触，存在对流换热与辐射换热，以对流换热为主，属于混合边界条件，下边界为定温边界。整个模型土壤的左右边界均认为是绝热边界条件。

1.2.3 网格划分。由于本文所研究的模型为圆柱体，各个方向截面相同，因此，可简化为二维模型进行模拟运算。对二维模型进行面网格划分，面网格类型主要有一下三种：四边形网格、三角形网格以及四边形和三角形相结合的网格。结构化网格有H型网格、O型网格、C型网格和混合型网格等。本文的管道模型是圆柱体的横截面模型，对于圆柱体的网格划分，通常使用O型网格进行划分。在ICEM中建立此模型，为了更好的反映出数据变化规律，适应计算数据分布特点，在计算数据变化率较大的部位，需要采用比较密集的网络，而在计算数据变化率比较小的部位，则应用相对稀疏的网格，即采用非均匀化网格。

2 土壤温度场的影响因素分析

2.1 地表温度对土壤温度场的影响

管内水初始温度t=7℃；土壤导热系数为1.8（w/m・k）；大地表面换热系数？琢w=17.5W/（m2・℃）。水管采用焊接钢管。根据此条件，对埋地管道周围的土壤进行温度场分析。

通过模拟结果可以看出，地表温度对土壤温度场的影响很大，尤其是在土壤深度比较小的时候。当地表温度为-5℃时，土壤的0℃温度线在地下1.3米左右。而地表温度为-20℃时，土壤的0℃温度线已经达到1.8～2.0m左右。但当土壤温度达到一定深度的时候，地表温度对土壤温度的影响就会减弱。

在大庆附近地区，冬季最冷月的地表平均温度在-20℃左右，则通过模拟计算的结果可知，此地区的0℃温度线在1.8m。因此，可得到大庆及周边地区的冰冻深度在1.8～2.0m左右。

2.2 管道埋深对土壤温度场的影响

管内水初始温度7℃；土壤导热系数为1.8（w/m・k）；大地表面换热系数？琢w=17.5W/（m2・℃）。水管采用焊接钢管。当周围空气环境为-20℃，模拟当管道埋在地下0.5m，1.0m，1.5m，2.0m时土壤的温度分布。

据土壤温度场的模拟计算结果，我们可以发现：周围的管道温度分布图上土埋，管道周围的等温线大致呈椭圆形，一些近圆形的等温线分布在管道附近，且等温线从上到下呈现由密集逐渐变稀疏的特点。当管道为0.5至1.0m时，0℃线逐步向上转移到地面，因为，埋深较浅时，地表温度很大程度上影响了土壤温度；但管道为1.0～2.0m埋深时，0℃等温线不在发生明显变化，很明显可以看出，管道对土壤温度场的影响在减弱。在管道的埋深很浅时，土壤温度的变化比较明显，管道埋深越大，地表温度对土壤温度的影响越小。同时，当管道埋地超过1.0m时，土壤温度下降已经趋于稳定，地球表面的温度，并不会对土壤温度起到太大的影响。因此，埋设为1m也可满足林甸地区埋地管道的保温要求，一味的加大埋深以减小冻害是不必要且要耗费大量的费用。管道浅埋这可降低施工的工作量，建筑成本也可降低最大。土壤深度越深，土壤温度的波动较小，低温突变不会对土壤温度造成很大的影响。当管道是埋超过1.0m时，更深，土壤温度下降已经稳定，表面温度的变化，无论如何，土壤温度变化并不大。

当周围空气环境为-10℃，且无保温时，对管道运行10小时与100小时之后的工况进行模拟。管道埋深为1.0m，其他模拟条件同上。

在管道内刚刚开始运行的时候，管道的散热对土壤的温度场影响很小。管道附近的土壤温度与原始温度相近，在管道周围形成圆形的等温线。土壤温度还是呈现明显的分层状态。尤其是举例管道较远的地方，土壤的温度变化几乎可以忽略。在管道运行了100h小时后，管道对土壤的散热使得土壤温度场发生了明显的变化，管道周围的等温线变成椭圆形。管道周围土壤温度明显高于统一深度处其他地方的土壤温度。以此可以看出，管道与土壤之间的热交换是存在延迟效应的，土壤的温度不会发生瞬变。

结束语

本章建立了寒区埋地管道周围土壤温度场的计算方程，并讨论不同地表温度与土壤含水量的情况下，土壤温度场的变化。林甸县的冻土深度约在2.0m。对某埋地管道周围的土壤温度场进行了数值模拟，讨论管道在不同埋深下对土壤温度场的影响。

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