水熱耦合對凍土區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

(遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

凍土區埋地熱油管道最常見的安全問題是凍害破壞。當環境溫度降至冰點以下，土壤中水分的凍結將伴隨著水分向凍結前鋒遷移，產生不均勻凍脹，加之周期性不可逆的凍融循環，極易造成管道失穩甚至破裂。研究管道凍害成因，應先預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系。采用有限體積法，建立土壤多孔介質水熱耦合相變模型，利用SIMPLER算法進行數值求解，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行對比分析，結果表明：在輸油管道運行初期，兩種情況土壤溫度場接近，隨著運行時間的延長，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，不論是多年凍土區的季節融化過程，還是季節凍土區的季節凍結過程，大都假設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給和排泄作用，事實上土體中水分場對溫度場有這至關重要的影響[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熱系數和比熱發生變化，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前鋒運移并釋放潛熱。準確預測土壤溫度場的變化，對于科學合理計算管道安全停輸時間具有重要意義。

1 計算模型

1.1 物理模型

忽略管道軸向溫降，建立二維計算模型。根據實測數據，距地面一定深度處，大地自然溫度年終變化＜1 ℃。可以認為是恒溫層，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，可認為是絕熱的[4]。故簡化的物理模型見圖[1]。

圖1 管道計算物理模型Fig. 1 Physical model of pipeline computation

1.2 水分遷移相變數學模型

土壤作為多孔介質內部流體流動及相變過程十分復雜，有限容積法是處理多孔介質流動相變問題常用的理論方法[5-6]。假設土體各項均質連續，相變過程流體密度變化符合 boussinesq假設，水分遷移符合達西定律，忽略由相變融化引起的速度變化。根據有限容積理論，建立的質量守恒，動量守恒，能量方程守恒方程如下：

質量守恒方程：

式中：U —為流體速度，m/s；

ρf—為流體密度，kg/m3；

t —為時間，s。

動量守恒方程：

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—流體動力粘度，Pa·s；

α—流體膨脹系數，1/k；

Amulsh—固液糊狀區常數，用來反映凍結前鋒的形態；β—液相分數。

能量守恒方程如下：

式中：γ —液體所占孔隙分數；

hf—液相介質的焓，J；

hs—相變后固相介質的焓，J；

hp—多孔介質骨架的焓，J；

—有效導熱率，W/（m·K）；

kf—液相熱導率，W/（m·K）；

ks—固相熱導率，W/（m·K）；

kp—多孔介質骨架熱導率，W/（m·K）；

1.3 邊界條件

2 數值模擬及結果分析

某熱油管道，管徑512 mm,壁厚6 mm,埋深1.6 m,初始油溫325 K，地表風速1 m/s,環境溫度253 K,初始地溫275 K,土壤密度1 680 kg/m3,比熱2 150 J/(kg·K)，導熱系數 1.512 W/(m·K),計算區域 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，使水分向凍結區遷移，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，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 埋地熱油管道輸油50 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 埋地熱油管道輸油100 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 埋地熱油管道輸油150 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

當考慮水分對土壤溫度場的影響時發現：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，主要表現為管道附近飽和含水土壤等溫線向兩側和上下擴展，且縱向變化小于橫向變化。

圖5 埋地熱油管道輸油200 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定，溫度梯度變化小，而管道上方和兩側土體受地表環境溫度影響較大，隨著運行時間的延長，土壤凍結鋒面逐漸向管道移動并趨于穩定，在此期間大量未凍水在溫度梯度的作用下，開始向凍結前鋒遷移，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 結論及建議

通過對凍土區埋地管道周圍土壤溫度場的計算表明；兩種模型計算得到的土壤溫度場存在一定差異，且隨著管道運行時間的延長，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值模擬[J].遼寧石油化工大學學報，2007，27(1)：41-43.

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

[3] 胡延成，馬貴陽，楊濤.埋地管道相應啟動過程的數值模擬計算[J].油氣儲運，2009，28（6）：26-29.

[4] 楊宇 孫建剛 劉振民.埋地熱力管道泄漏對大地溫度場影響的數值仿真分析[J].油氣田地面工程，2004（6）：33-35.

[5] 盧濤，姜培學．多孔介質融化相變自然對流數值模擬[J].工程熱物理學報，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].北京化工大學學報，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，遼寧石油化工大學在讀碩士，研究方向：凍土區埋地管道水熱耦合數值計算。E-mail：624667587@qq.com，電話：0413-8703244。

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