(紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院 浙江 紹興 312000)

引言

全球性的氣候變暖導(dǎo)致了青藏高原等多年凍土區(qū)的多年凍土退化、季節(jié)性凍土消失。主動(dòng)冷卻凍土成為凍土區(qū)工程建設(shè)的一個(gè)重要指導(dǎo)思想[1]。諸多實(shí)驗(yàn)已經(jīng)研究了散粒體內(nèi)存在的熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流傳熱機(jī)制[2-3]。以下對(duì)溫度波動(dòng)條件下碎石層內(nèi)溫度傳遞特性進(jìn)行分析。

一、理論基礎(chǔ)

碎石層可看成碎石骨架及空氣組成的兩相物質(zhì)，研究碎石層內(nèi)對(duì)流的理論基礎(chǔ)是孔介質(zhì)對(duì)流理論，它包括三個(gè)方程：①能量守恒方程。②動(dòng)量守恒方程。③質(zhì)量守恒方程。

(1)

式(1)中各參數(shù)代表的意義：u，碎石孔隙空氣對(duì)流速度矢量；，Hamilton算子；θ0，參考溫度；ρ0，參考溫度下的密度；Κ，滲透系數(shù)；λe，有效導(dǎo)熱系數(shù)；Ce，有效容積熱容量；β，空氣熱膨脹系數(shù)；μ，動(dòng)力粘滯系數(shù)；Ca，容積熱容量。

二、實(shí)驗(yàn)溫度控制條件

碎石試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)際溫度變化的正弦函數(shù)表達(dá)式為：

(2)

其中T表示溫度(℃)，t表示時(shí)間(h)；溫度波動(dòng)時(shí)間為24h一個(gè)周期，共進(jìn)行了6個(gè)周期的試驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同深度處碎石層內(nèi)的溫度特性

(1)封閉邊界條件下碎石層溫度隨周期變化的不對(duì)稱性

圖1給出了典型位置處0 cm、15 cm、55 cm、95 cm處的溫度變化曲線，從95 cm處溫度變化對(duì)數(shù)趨勢(shì)線可以看出碎石層內(nèi)的溫度變化先急速降溫隨后趨向穩(wěn)定狀態(tài)。在第5周期溫度達(dá)到最低為-2.20℃。同樣的不同深度處的碎石層在均有此規(guī)律只是隨著深度增加變化趨勢(shì)減小，最低溫度在第5周期15 cm、55 cm、95 cm處分別為-2.48℃、-1.25℃、-1.75℃。碎石層表面溫度及試驗(yàn)箱內(nèi)溫度波動(dòng)以平均溫度為界限呈現(xiàn)出對(duì)稱分布。碎石層深度15 cm、55 cm、95 cm處隨著碎石層深度增加溫度波動(dòng)的波峰之間差距極大，但是波谷之間差距不大。以平均溫度為界呈現(xiàn)出不對(duì)稱性。碎石層內(nèi)的溫度不對(duì)稱分布也從另一個(gè)側(cè)面反映出了自然對(duì)流的發(fā)生。

不同深度的碎石試樣的邊界溫度波動(dòng)有明顯的相位延遲現(xiàn)象?？梢杂?jì)算出各個(gè)深度處的相位延遲周期數(shù)。具體為：在第5周期15 cm處的波峰與波谷處分別延遲了延遲了0.26、0.26個(gè)周期；55 cm處波峰與波谷分別延遲了0.45、0.48個(gè)周期；95cm處的波峰與波谷分別延遲了0.38、0.4個(gè)周期。

碎石層內(nèi)溫度波幅隨深度增加而衰減公式可表示為：

(3)

其中Az及A0是碎石模型內(nèi)某一深度的溫度波幅，單位℃；z是碎石層深度，單位m；α是碎石層的熱擴(kuò)散系數(shù)，單位m2/h；T是溫度波動(dòng)周期，單位h。

由式(3)可算出溫度波的傳播深度碎石層內(nèi)存在的相位延遲與傳熱介質(zhì)密切相關(guān)，碎石層內(nèi)可以看成一部分空氣及一部分碎石顆粒組成的。單純的固體介質(zhì)中溫度波的傳導(dǎo)會(huì)隨著深度增加而衰減，但是在一定深度處，理論計(jì)算得出的溫度波幅小于實(shí)際測(cè)量的溫度波幅，這就說明了碎石層內(nèi)存在的兩種換熱機(jī)制。

圖1 0cm、15cm、55cm、95cm深度處溫度波動(dòng)隨時(shí)間變化曲線

四、結(jié)論

(1)在封閉系統(tǒng)碎石層表面周期溫度波動(dòng)條件下碎石層內(nèi)溫度隨周期變化存在不對(duì)稱性。造成溫度不對(duì)稱性的原因試自然對(duì)流的存在。

(2)在封閉系統(tǒng)碎石層內(nèi)溫度隨深度變化存在著相位延遲，且碎石層內(nèi)存在熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)兩種換熱機(jī)制。