多年冻土地区给排水管道保温层厚度设计的数值模拟分析王传琦Word文件下载.docx
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高寒地区;
给排水管道;
保温层;
模拟分析中图分类号:
U26935文献标识码:
B文章编号:
1004-2954（200701-0086-03
1高寒地区给排水管道铺设现状
11高寒地区管道防冻措施的国内外现状
我国有大面积的多年冻土,主要分布在东北地区、青藏高原等地区。
东北地区给排水管路及构筑物设置
方式基本上沿袭了前苏联的设计模式,管路的防冻大多采用水源加热并在管网的最末端放空的方式,该方式是非常不经济的;
还有部分管道采用与热网埋设于同一管沟内的防冻措施,此方式在青藏铁路沿线没有条件采用。
国外（俄罗斯、加拿大及美国阿拉斯加在多年冻土区铺设给排水管路及修筑排水构筑物工程有一定的成功经验,但还存在非常多的病害难以解决,特别是冻土环境的差异,如气象条件、土相以及含水率的不同,均可以影响管道铺设的方式以及构筑物的使用功能。
青藏高原冻土区尚无任何给排水管路及排水构筑物工程可供借鉴。
12青藏铁路给排水管道
多年冻土区管道的铺设形式可分为:
深埋式、浅埋式、地沟式、路堤式及架空式。
不同的铺设形式各具有不同的优缺点。
（1深埋式管道:
造价较高且一旦管道发生冻结现象,不易发现,更不易维修。
（2地沟式管道:
在铁路上应用较少,但管道穿越铁路、公路时,为了避免管道直接受较大荷载而折断,同时,为便于维修往往外设一套管。
另一种是与暖气管和特设暖气管一起铺设在管沟内,这种方法在东北
海拉尔等地使用后效果良好,但在当地无暖气设备时,
则运营费用太大,不宜采用。
（3路堤式管道:
受气候变化影响较大,当地面不均匀沉降时易被折断且保温条件较差,因此也不宜采用。
（4架空式管道:
这种管道适用于地质不良地段,如沼泽、泥塘和受洪水威胁的地段以及管道穿越沟渠处,以桩或柱支撑管道架空铺设,其构造见图1
。
图1架空管道大样（单位:
cm
（5浅埋式管道:
这种保温管道埋设在地面下10~15m,其构造见图2
图2浅埋管道大样（单位:
综合分析以上几种管道铺设方法,基于青藏高原
特殊的地质条件,在青藏铁路上给排水管道的铺设形式主要选取浅埋式和架空式管道。
2数值模拟分析的基本原理
本论文采用Ansys作为数值模拟分析的工具,从热分析模块理论展开研究。
热分析模块是基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其他热物理参数。
热分析包括稳态传热分析和瞬态传热分析。
在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化,主要用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响;
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程,主要用于计算一个系统随时间变化的温度场及其他热参数。
本论文采
王传琦,牟瑞芳,王芃多年冻土地区给排水管道保温层厚度设计的数值模拟分析
用瞬态热分析进行分析计算。
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。
在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。
根据能量守恒原理,瞬态热分析的有限元平衡方程为（以矩阵形式表示
[C]{}+[K]{T}={Q}式中[K]传导矩阵,包含导热系数、对流系数及
辐射率和形状系数;
[C]比热矩阵,考虑系统内能的增加;
{T}节点温度向量;
{}温度对时间的导数;
{Q}节点热流率向量,包含热生成。
瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其他热参数。
在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析。
瞬态热分析中的载荷是随时间变化的,在进行瞬态分析之前,首先进行稳态分析,确定初始荷载,即Steady-state。
同时为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。
载荷-时间曲线如图3（a、（b所示,其中的每一个拐点为一个载荷步,必须定义载荷值及时间值,
同时选择载荷步为渐变或阶越。
图3荷载-时间曲线
3给排水管道保温层厚度设计的数值模拟分析31基本原理
通过对管道与其周围有限范围内的空间组成的系统进行热分析,得到系统的温度场分布,依此判断保温层是否达到保温要求。
32基本步骤
（1熟悉工程概况,了解详细的工程地质情况,确定管道的铺设形式;
（2确定热分析计算的类型,建立模拟分析的概念模型;
（3确定热分析计算的边界条件和荷载约束条件,建立数值分析计算的基本模型;
（4运用ansys进行热分析计算求解。
33青藏铁路不冻泉车站给排水管道保温层厚度设计实例分析
331不冻泉车站地形、地貌及工程地质情况
站区地貌为高平原冻土地貌,海拔高程4500~
4600m,地形较平坦开阔,植被发育。
站区通过主要河流为阿青岗欠陇巴河,该河发源于昆仑山主脊的北坡,距站位约2km,河流在站区附近宽约500m,由于河流主要受到溶雪水的补给,在夏秋两季河床有水流,冬季河水由于冻结而断流。
车站位于阿青岗欠陇巴河流东岸的山坡之上,车站附近地层主要有:
第四系全新统冲洪积角砾土、碎石土,厚度2~12m,下覆基岩为三叠系片岩,多年冻土上限10~30m,多年冻土下线据工程钻孔30m深未见下线位置。
站位附近处于多年冻土区,无构造、融区等出露,无供水意义。
据站位不远的阿青岗欠陇巴河谷沉积了厚约20m的第四系砾砂,中、粗砂,冻土上限2~3m,属于多年冻土,局部为融区,但融区处地下水补给无保证,无供水意义。
其下覆基岩为三叠系片岩,基本不含水。
332给水管道保温层厚度设计初始条件（表1
表1设计初始条件
管道内径/mm管道壁厚/mm保温层厚度/mm空气隔离层厚度/mm防护外罩厚度/mm空气温度/水温度/100
5
待定
90
70
-40
10
333材料的热物理性能（表2
表2材料的物理性能
热性能
水铁聚氨酯空气混凝土-40空气导热系数/（W/m061
0040025907900212密度/（kg/m3
996783350012058371515比热容/（J/kg
4185448
1200
1005
2400
1013
33
4设计要求
本车站给水管道铺设方式采用架空式,设计中保
证管道中水的工作温度为4,其他条件满足一般设计要求。
335数值模拟计算
（1最不利情况分析
设定给水管道内水静止时为最不利情况。
假定此车站每天只为1趟列车供水,那么给水管道中水的静止时间为24h,即86400s。
根据资料知,静止时管道内初始水温为10,计算过程中环境空气极端温度取-40,保证管道的工作温度为4。
为了反映空气对流的影响,假定在最不利的条件下,风向与架空管道是垂直的。
（2热分析类型
热分析类型为瞬态传热。
（3模型建立
取管道周围1000mm空间作为本模型的边界,沿垂直于管道轴线作横截面,建立基本模型,见图4。
在基本模型基础上建立本次研究的分析计算模型,见图5。
王传琦,牟瑞芳,王芃多年冻土地区给排水管道保温层厚
度设计的数值模拟分析
（4利用Ansys进行数值模拟计算计算结果见图6、图7
图6保温层厚度为50mm的情况
图7保温层厚度为60mm的情况
（5结果分析
通过计算分析得知,在整个模型设定计算范围内,图6中温度场变化区间为4425~-425,计算时
间为86400s。
1号区域代表在此范围内温度变化区间为4425~3461,2号区域代表在此范围内温度变化区间为3461~2497,3号区域代表在此范围内温度变化区间为2497~1533,4号区域代表在此范围内温度变化区间为0569311~-0394641,5号区域代表在此范围内温度变化区间为-1359~-2323,6号区域代表在此范围内温度变化区间为-2323~-3286,7号区域代表在此范围内温度变化区间为-3286~-425。
从图中不难看出,此种条件下,除了管道中心处温度保证在4以上,不能充分保证在整个管道中使水温达到4的设计要求,从而说明50mm的保温层厚度是偏于不安全的;
图7中温度场变化区间为4514~-1009,计算时间为86400s,最高温度为4514,最低温度为-1009。
1号区域代表在此范围内温度变化区间为4514~39,2号区域代表在此范围内温度变化区间为39~3287,3号区域代表在此范围内温度变化区间为3287~2673,4号区域代表在此范围内温度变化区间为2059~1446,5号区域代表在
此范围内温度变化区间为08318~0218061,6号
区域代表在此范围内温度变化区间为0218061~-0395678,7号区域代表在此范围内温度变化区间为-0395678~-1009。
从图中不难看出,1号区域覆盖了整个管道、保温层以及空气隔离层的部分空间,在此种条件下,容易满足设计要求,同时由于实际计算中作出一定的假定,比如防腐剂的隔热效果等没有考虑,偏于保守。
因此,实际设计中采用的保温厚度为60mm是安全的,符合设计要求。
（6排水管道保温层厚度设计模拟
排水管道保温层厚度计算机模拟计算原理与给水
管道情况相似,但由于排水管道中水在管道中的停留时间与管道长度有关,在已知水流速的情况下,考虑排水管道的总长,就可以计算出水在管道中的停留时间,从而在利用计算机模拟计算时对于时间函数可以赋一个较为准确的数值,计算在整个排水过程中保证管道中的水温满足设计要求所需要的保温层厚度。
4结论
目前,在高寒地区给排水管道保温层厚度设计方面,计算方法单一,缺少对于各种计算方法的验证性方法。
本论文旨在通过计算研究,寻找一种全新的计算方法,以达到丰富此方面的计算方法,并对于现有的计算方法提供验证性计算的目的。
从青藏铁路不冻泉车站给排水管道保温层厚度设计的实际工程应用效果看,通过Ansys进行数值模拟设计计算管道保温层厚度的方法得出的计算结果是比较理想的。
在实际的设计中结合其他理论解法同时使用,互相验证,能使设计方案更安全,更合理,更经济。
同时作者希望此方法能够为读者对于这方面的研究提供帮助。
参考文献:
[1]铁道第三勘察设计院.冻土工程[M].北京:
中国铁道出版
社,2002.
[2]张朝晖.ANSYS80热分析教程与实例解析[M].北京:
中国铁道
出版社,2005.
[3]张立新,徐长航,等.ANSYS70基础教程[M].北京:
机械工业出
版社,2004.
[4]陈晓霞.ANSYS高级分析[M].北京:
机械工业出版社,2004.[5]胡洪营,等.环境工程原理[M].北京:
高等教育出版社,2005.
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