定向渗流诱导的非对称冻结帷幕稳态温度场解析解

摘要

受水流对流传热及冻结管热传导叠加影响，渗流场作用下人工冻结帷幕的形状具有明显的非对称性。为解决冻结帷幕形状不规则给冻结温度场计算带来的困难，以直线排布的3管冻结温度场为研究对象，采用分段等效的方法，对该类冻结帷幕的形状进行简化；基于稳态温度场的求解理论，推导得出定向渗流作用下非对称冻结帷幕稳态温度场解析解，以及冻结帷幕厚度、平均温度的计算公式；自主构建水热耦合物理模型试验系统，并开展不同流速条件下3管冻结温度场演化规律的模型试验，对公式的合理性进行验证。结果表明：关键轴线上冻结温度的计算值与试验结果吻合程度较高，解析解的合理性得到模型试验的验证；冻结帷幕的交圈时间及非对称系数随着流速的增加急剧增大；当地层中存在渗流场时，冻结温度场变化过程较为复杂，但冻结帷幕的平均温度整体仍然表现出随冻结帷幕厚度的增加而降低的规律。本文得出的解析解能够对渗流场作用下人工冻结温度场进行较为准确的数学描述，为大流速渗透地层人工冻结温度场的计算提供参考。

关键词

人工地层冻结 / 渗流 / 冻结温度场 / 解析解 / 相似模型试验

基金资助

国家自然科学基金项目（51878005）; 安徽省自然科学基金项目（2108085QE251）; 中国博士后科学基金项目（2021M703621）; 安徽高校自然科学研究重点项目（KJ2021A0425）; 安徽理工大学校级项目（自然科学类）（xjzd2020–18）;安徽理工大学高层次引进人才科研启动基金项目（13200403）