Моделирование и численный анализ динамики температурного поля многолетнемерзлых грунтов при воздействии бесканальных подземных трубопроводов теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Акимов, Мир Петрович

• Акимов, Мир Петрович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Акимов, Мир Петрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Бесканальная подземная прокладка тепловых сетей и математическое моделирование промерзания-протаивания

вечномерзлых грунтов

1 Л. Бесканальная прокладка труб с предварительной пенополиуретан-овой изоляцией

1.2. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент

1.3. Обзор математических моделей процесса промерзания-протаивания многолетнемерзлых грунтов

1.4. Построение разностных схем для фронтовой задачи

Глава 2. Разработка численного алгоритма расчета температурного поля

в системе «труба-грунт

2.1. Постановка задачи

2.2. Разработка алгоритма численного решения задачи методом

конечных разностей

Глава 3. Численный анализ динамики температурного поля грунта при воздействии бесканального подземного трубопровода теплоснабжения

3.1. Предварительная обработка натурных данных температуры воздуха

3.2. Разработка методики определения толщины теплоизоляции из условия стабилизации глубины оттаивания

3.3. Сопоставление расчетных температурных зависимостей с фактическими данными и уточнение параметров математической

модели

3.4. Численный анализ влияния заглубления трубопровода теплоснабжения на зону оттаивания в основании подземного

трубопроводов теплоснабжения

Заключение

Библиографический список использованной литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и численный анализ динамики температурного поля многолетнемерзлых грунтов при воздействии бесканальных подземных трубопроводов теплоснабжения»

Введение

В настоящее время в Центральной Якутии эксплуатируются опытно-промышленные бесканальные варианты внутриквартальных подземных трубопроводов горячего водоснабжения и теплоснабжения из сшитого полиэтилена, армированного нитью из арамидного волокна (кевлара), с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке. Преимущества такого способа укладки принципиально новых видов труб - из полимерных материалов в заводской теплоизоляции очевидны: они не подвержены коррозии, не зарастают отложениями и потому служат многие десятки лет. Весьма ценным качеством является их гибкость, позволяющая поставлять их на объекты длинномерными отрезками необходимой длины, в подавляющем большинстве случаев обходиться без стыков и проходить повороты трассы без применения фасонных деталей. Такие трубы не требуют компенсаторов. Благодаря малому весу труб, монтажные работы осуществляются без применения грузоподъемной техники [28,49,71,72, 74]. Тем не менее, нормативная база по проектированию и монтажу таких трубопроводов отстает от требований практики. Исследование динамики температурного поля подземного полимерного трубопровода с теплоизоляцией в процессе эксплуатации на вечномерзлый грунт является актуальной задачей, решение которой позволит разработать рекомендации по применению перспективных трубопроводов в регионах холодного климата, а также будет способствовать внесению изменений в существующие отраслевые и строительные нормативные документы [88,89,90,91]. Кроме того, согласно существующим нормативным документам [90] при строительстве тепловых сетей в районах многолетнемерзлых грунтов выбор мероприятий по сохранению их устойчивости должен выполняться на основе расчетов зоны оттаивания мерзлого грунта около трубопроводов. При этом необходимо выполнять многочисленные расчеты в зависимости от типоразмеров труб, толщины теплоизоляции, глубины заложения в грунт и т.д. [3,5,34,50,76].

3

Необходимость учета теплоты фазового перехода влажного грунта в математической модели оттаивания-промерзания приводит к решению многомерной задачи Стефана, которая является нелинейной и решается в основном численными методами [4,6,7,15,31,48, 80,79]. В то же время, численному моделированию теплового взаимодействия трубопровода с грунтом уделяется недостаточное внимание.

Водяные тепловые сети проектируются, как правило, многотрубными, т.е. рядом с трубой для подачи теплоносителя (подающей трубой) располагается обратная труба, трубы горячего и холодного водоснабжения. Тем не менее, в расчетах влияния многотрубных систем на мерзлые грунты зачастую рассматривают одну трубу с эквивалентным диаметром [16,67]. Именно такой подход выбран в данной работе и поэтому при решении задачи прогнозирования зоны оттаивания грунта ключевой является задача влияния одной трубы теплоснабжения на многолетнемерзлый грунт [2,8,9].

При таком подходе удобнее использовать метод конечных разностей, не требующий больших вычислительных мощностей в отличие от метода конечных элементов. При решении задачи методом конечных разностей трудности возникают вследствие сложности рассматриваемой области. В плоском случае границы расчетной области представляют собой отрезки прямых и полуокружностей, что затрудняет выбор системы координат для построения расчетной сетки. Обычно такую задачу решают, используя уравнение теплопроводности в декартовой системе координат [14,51,70,76]. Такой подход для определения температурного поля в многослойной трубе осложняется ввиду наличия условий теплового контакта между слоями. При исследовании влияния теплоносителя в трубе на тепловое состояние грунта, приближенное задание границ в непосредственной близости от теплообменной поверхности может привести к существенным погрешностям при определении границ оттаивания. Для более точного описания температурного поля в окрестности трубы с теплоносителем перспективным представляется решение

4

задачи теплопроводности в полярных координатах. Естественно, при этом приближенно будут описаны прямые участки границ области, что также снизит точность расчета, но можно предположить, что их влияние на определение границ оттаивания будет значительно ниже.

Несмотря на большое количество работ, посвященных решению задачи Стефана, недостаточно используются решения задачи в полярных координатах в областях с прямыми границами, возникающими при расчете температурных полей в системе «труба-грунт» с учетом дневной поверхности. Эффективность предлагаемого алгоритма решения задачи применительно к рассматриваемой прикладной задаче будет показана сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

Целью работы является прогнозирование мерзлотно-грунтовых условий при бесканальной подземной прокладке предварительно изолированных полимерных трубопроводов теплоснабжения в регионах холодного климата на основе математического моделирования промерзания-оттаивания грунтов.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- разработка алгоритма численного решения задачи определения нестационарного температурного поля в системе «труба-грунт» в полярной системе координат;

- анализ температурного режима при тепловом взаимодействии предизолированной трубы теплоснабжения с грунтом;

- сопоставление расчетных и экспериментальных температурных данных;

- прогнозирование мерзлотно-грунтовых условий при бесканальной подземной прокладке предварительно изолированных полимерных трубопроводов теплоснабжения в регионах холодного климата.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм численного решения задачи Стефана в полярных координатах для определения динамики температурного поля в системе «многослойная труба-грунт» с учетом дневной поверхности;

- на основе численного решения двумерной задачи Стефана показана возможность обеспечения стабилизации глубины деятельного слоя многолетнемерзлого грунта при воздействии бесканального подземного трубопровода теплоснабжения с теплоизоляцией.

Теоретическая, практическая значимость и реализация результатов работы:

- на основе вычислительных экспериментов разработаны методики для определения толщины теплоизоляции и глубины заложения трубопровода теплоизоляции;

- полученные результаты моделирования теплового процесса при воздействии трубопровода теплоснабжения на многолетнемерзлые грунты могут быть использованы при прогнозировании динамики температурного поля в системе «труба-грунт» для широкого диапазона типоразмеров, вариантов прокладки труб в различных климатических условиях;

- результаты проведенных исследований приняты к использованию в ОАО «Якутский государственный проектный, научно-исследовательский институт строительства»;

- в 2012 г. выдано свидетельство о регистрации электронного ресурса: Программа расчета «Влияние бесканального подземного трубопровода теплоснабжения на вечномерзлые грунты», которое зарегистрировано Объединенным Фондом электронных ресурсов «Наука и образование».

В первой главе приводятся основные виды предизолированных труб для бесканальной подземной прокладки тепловых сетей, преимущества их использования. Приводится обзор математических моделей протаивания-промерзания многолетнемерзлых грунтов. Отмечается вклад в изучение в тепломассообмен промерзающих и протаивающих грунтов H.A. Цытовича, А.Е. Федосова, И.Н. Вотякова, З.А. Нерсесовой, В.Ю. Изаксона, В.И. Васильева, Е.Е. Петрова, Г.Г. Цыпкина, С.Д. Мордовского, В.И. Слепцова и др.

6

Рассматривается фронтовая модель процесса промерзания-протаивания грунта, представляющая классическую задачу Стефана. Отмечаются случаи, при которых рекомендуется использование такой модели. Приводится краткий обзор основных методов решения задач с фазовыми переходами. На основе анализа их преимуществ и недостатков показана рациональность и универсальность разностных методов сквозного счета.

Вторая глава посвящена численному решению задачи определения динамики температурного поля в системе «труба-грунт» в цилиндрических координатах с учетом дневной поверхности.

Третья глава посвящена анализу температурного режима при тепловом взаимодействии предизолированной трубы теплоснабжения с грунтом. Приводятся результаты сопоставления численных решений задачи с экспериментальными температурами грунтов, полученными около действующих опытно-промышленных подземных бесканальных тепловых сетей. На основе разработанных методик и результатов вычислительных экспериментов определены и рекомендованы толщины теплоизоляции и величины заглублений, обеспечивающие длительное сохранение многолетнемерзлых грунтов при использовании подземных трубопроводов теплоснабжения.

В приложении 2 приводится описание программного комплекса, созданного для решения задач, рассмотренных в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Акимов, Мир Петрович

Выводы к главе 3.

1. Сопоставлением расчетных и фактических температурных данных установлено, что предлагаемая математическая модель адекватно описывает тепловое взаимодействие подземного бесканального трубопровода теплоснабжения с многолетнемерзлым грунтом. Погрешность расчетного определения температур в грунте не превышает 15-20 %.

2. Предложена методика расчетного определения толщины теплоизоляционного слоя и заглубления, обеспечивающей стабилизацию до начала отопительного сезона глубины оттаивания

85 вечномерзлого грунта при воздействии полимерного подземного бесканального трубопровода теплоснабжения на уровне деятельного слоя.

3. На основе вычислительных экспериментов, для теплопровода диаметром 110 мм с сопутствующим трубопроводом для холодной воды диаметром 50 мм и с толщиной теплоизоляции 3 см рекомендуется величина заглубления 70 см. Для такого же теплопровода с толщиной теплоизоляции 4 см рекомендуется заглубление до 90 см, с толщиной теплоизоляции 5 см - заглубление до 110 см.

Заключение:

- на основе метода конечных разностей разработаны численный aju ори i м и программа в среде DELPHI для проведения вычислительных экспериментов по определению в полярных координатах динамики температурного поля в системе «труба-грунт» с учетом фазовою перехода и дневной поверхности;

- сопоставлением расчетных и фактических температурных данных установлено, что предлагаемая математическая модель адекватно описывает тепловое взаимодействие подземного бесканального трубопровода теплоснабжения с многолетнемерзлым грунтом. Погрешность расчетного определения температур в грунте не превышает 15-20 %;

- на основе вычислительных экспериментов разработаны методики для определения толщины теплоизоляции и глубины заложения трубопровода. Для теплопровода диаметром 110 мм с сопу 1С1вующим трубопроводом для холодной воды диаметром 50 мм и с толщиной теплоизоляции 3 см рекомендуется величина заглубления, равная 70 см. Для такого же теплопровода с толщиной теплоизоляции 4 см рекомендуется заглубление до 90 см , а с толщиной 1еплоизоляции 5 см заглубление до 110 см.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Акимов, Мир Петрович, 2013 год

Литература

1. Акимов М.П. Математическое моделирование взаимодействия полимерного теплопровода теплоснабжения с вечномерзлыми грунтами // Научное творчество молодежи: Материалы XV Всероссийской научно-практической конференции, - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2011. - 4.1, С.258-260.

2. Акимов М.П. Прогнозирование влияния подземного полимерного трубопровода теплоснабжения на вечномерзлые грушы // Материалы IX Международного симпозиума по проблемам инженерного мерзлотоведения. - Мирный, 2011. - С. 221-224.

3. Акимов М.П. Расчет толщины теплоизоляции подземного трубопровода теплоснабжения // Труды международной конференции «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера». - Якутск, 2012. - С. 320-324.

4. Акимов М.П. Численное исследование подземного полимерного трубопровода теплоснабжения на вечномерзлые грунты // Сборник научных трудов SWorld. По материалам международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2011». - Одесса: Изд-во Черноморье, 2011,Т.16. - С. 56-60.

5. Акимов М.П., Мордовской С.Д., Старостин Н.П. Определение толщины изоляции полимерного трубопровода теплоснабжения на основе численного исследования динамики температурного поля // III Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых, специалистов «Математическое моделирование развития Северных территорий РФ». - Якутск, 2012. - С. 21-22.

6. Акимов М.П., Мордовской С.Д., Старостин Н.П. Численный алгоритм для исследования влияния бесканального подземного трубопровода теплоснабжения на вечномерзлые грунты // Математические заметки ЯГУ,

88

2010. Т.17, выпуск 2.-С. 125-131.

7. Акимов М.П., Мордовской С.Д., Старостин Н.П. Численный алгоритм для прогнозирования зоны оттаивания вечномерзлого грунта около подземного полимерного трубопровода теплоснабжения // V Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата = Eurastrencold - 2010: Депозитарий электронных изданий ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР», Якутск, 2010. - С. 122-128.

8. Акимов М.П., Старостин Н.П., Мордовской С.Д. Влияние подземного полимерного теплопровода на вечномерзлые грунты // Композиционные материалы в промышленности: материалы Тридцать первой ежегодной международной конференции. Ялта, 2011. - Электронное издание, С. 297301.

9. Акимов М.П., Старостин Н.П., Мордовской С.Д. Динамика температурного поля в вечномерзлом грунте при воздействии полимерного трубопровода теплоснабжения // Материалы VI Международной конференции по математическому моделированию. - Якутск.: Изд-во ОАО «Медиа-холдингЯкутия», 2011.-С. 110-111.

10. Акимов М.П., Старостин Н.П., Мордовской С.Д. Математическое моделирование теплового процесса в вечномерзлом грунте при воздействии полимерного трубопровода теплоснабжения // Материалы XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2011), Алушта. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. - С. 28-30.

11. AHRAE Handbook. Heating, Ventilation and Air-Conditioning Systems and Applications. Charter 16 Infrared Radiant Heating, i 987, pp. 16.1-16.10.

12. Anders Logg, Garth N. Wells, Dolfin: Automated Finite Element Computing,

2011.

13. Anders Logg, Kent-Andre Mardal, Garth N. Wells, Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method, fenicsproject.org, 2011.

89

14. Аксенов Б.Г., Карякина СВ. Моделирование процессов промерзанияоттаивания грунта на основе задачи теплопроводности без начальных условий.// НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. -М.:ВНИИОЭНГ, 1997.-№ 7-8. - С. 8-10.

15. Аксенов Б.Г., Карякина СВ., Моисеев Б.В., Налобин Н.В., Третьяков П.Ю. Численное моделирование теплового процесса в теплоизоляции теплопроводов. / / Сб. матер, научной конференции преподавателей молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА. - Тюмень, 2004. -С 64-67.

16. Алифанов О.М. Экстремальные методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1988.-288 с.

17. Ананян A.A. О жидкой фазе воды в мерзлых породах// Мерзлотные исследования.-М.: Изд-во МГУ, 1961.-Вып. 1. - С.173-177.

18. Ананян A.A. О структурных особенностях воды при замерзании тонкодисперсных горных пород. //Мерзлотные исследования. - М.:МГУ, 1977, Вып.XVI. - С. 184-189.

19. Анисимов O.A., Нельсон Ф.Е. Влияние изменения климата на вечную мерзлоту в Северном полушарии // Метеорология и гидрология. 1997, №5

С.71-80.

20. Баранов В.Н., Богомолов В.П., Разбойников A.A., Чекардовский М.Н., Шаповал А.Ф. Исследование технического состояния оборудования системы теплогазоснабжения. - М.; РААСН, 2001. - 208 с.

21. Басин A.C. Главные проблемы теплобезопасности и теплоснабжения Сибири / A.C. Басин / / Энергетика: экология, надежность, безопасность. -Томск: Изд-во ТПУ, 2002, Т. 1. - С 3-7.

22. Басин A.C. Общие и региональные проблемы надежности теплообеспечения населения в городах / A.C. Басин / / Известия вузов. Строительство. -2001, №11. - С. 60-67.

33. Галичанин E.H. Применение новых технологий в транспортировке углеводородного сырья // Нефть. Газ. Промышленность. - 2007. №1(29). -С. 52-55.

34. Гербер А.Д., Горковенко А.И., Налобин Н.В. Определение оптимальной толщины изоляции теплопроводов при надземной прокладке. / / Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири. /Сб. матер. Всероссийской научн.-практ. конференции. РААСН. ТюмГАСУ. - Тюмень, 2006. - С. 84-86.

35. Дерягин Б.В. Учение о свойствах тонких слоев воды в приложении к объяснению свойств глинистых пород. //Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения АН СССР. -М.:Изд-во АН СССР, Т.1. - С.45-58.

36. Джон Матчо, Дэвид Р.Фолкнер. Delphi. -М.:БИНОМ, 1995. - 464 с.

37. Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в дисперсных породах. -М.:МГУ, 1979.-214 с.

38. Daniele Andreucci «Lecture notes on the Stefan problem», Dipartimento di Metodi e Modelli Matematici, Université di Roma La Sapienza ,via Antonio Scarpa 16 00161 Roma, Italy Rome, 2004. - P. 59.

39. Easterling David R. et al. Maximum and minimum temperature trends for the globe // Science. - 1997, № 5324. - P.364-367.

40. http://fenicsproject.org.

41. Иванцов Г.П. Диффузное переохлаждение при кристаллизации бинарного сплава//Докл.АН СССР, 1951 ,Т81 ,№3. - С. 179-181.

42. Изаксон В.Ю., Петров Е.Е. Численные методы прогнозирования и регулирования теплового режима горных пород области многолетней мерзлоты: Препринт// ИГДС СО РАН. - Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1986.-96 с.

43. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.: Наука, 1964. -527с.

44. Коздоба Jl.А. Вычислительная теплофизика. - Киев: Наукова думка, 1992. -217с.

45. Культин Н. Основы программирования в Delphi 2010. Издательство: БХВ-Петербург, 2009. - 640с.

46. Культин Н. Основы программирования в Delphi 2010. Издательство: БХВ-Петербург, 2010. - 448с.

47. Мейрмамов A.M. Задача Стефана. - Новосибирск: Наука, 1986. - 239 с.

48. Моисеев Б.В., Аксенов Б.Г., Кушакова Н.П. Численный метод решения задачи теплового взаимодействия прямоугольного канала с промерзающим грунтом / / Изв. вузов. Нефть и газ. - Тюмень, 1997, № 5. - С. 98-101.

49. Моисеев Б.В., Ильин В.В., Налобин Н.В. Энергосберегающие технологии при сооружении трубопроводов тепловых сетей. - Изв. вузов. Строительство, 2005,№ 2. - С. 75-78.

50. Моисеев Б.В., Налобин И.В., Илюхин К.Н. Оптимизация толщины тепловой изоляции теплопроводов при подземной бесканальной прокладке в вечномерзлых грунтах / / Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-11-2005). Доклады 11-й Международной научно-практической конференции, Барнаул, 26-28 сен. 2005 г. - Томск: Том. гос. ун-т, 2005.-С.115-118.

51. Моисеев Б.В., Налобин Н.В., Гербер А.Д. Математическое моделирование процесса теплового взаимодействия теплопроводов в ППУ-изоляции свечномерзлыми грунтами // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-12-2006). Доклады 12-ой Международной научно-практической конференции, Тюмень, 2-4 октября 2006 г. - Томск: Том. гос. ун-т, 2006.-С.102-105.

52. Моисеев H.H. Математика ставит эксперимент. - М.: Наука, 1979. - 224 с.

53. Налобин Н.В., Абросимова С.А., Рыдалина Н.В. Технико-экономический расчет системы теплоснабжения. Сб. матер, научн. конф. преподавателей,

93

молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА. - Тюмень, 2004. -С. 129-133.

54. Нерсесова З.А. Изменение льдистости грунтов в зависимости от температуры// Докл. АН СССР, 1950, Т.75, №6. - С.845-846.

55. Охлопков Н.М. Метод целых шагов решения многомерных нестационарных задач математической физики. - Иркутск, ИГУ, 1983. -161с.

56. Охлопков Н.М. Методологические вопросы теории и практики разностных схем. - Иркутск: изд. Иркутского ун-та, 1989. -256с.

57. Охлопков Н.М. О некоторых разностных методах решения задач для дифференциальных уравнений. - Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та. 1986. -209с.

58. Охлопков Н.М. Об экономичных разностных схемах в целых шагах// Дифференциальные и интегральные уравнения Межвузовский сборник. -Иркутск, ИГУ, 1973, выпуск 2.

59. Охлопков Н.М., Васильев В.И. Схемы покомпонентного расщепления для нестационарных уравнений матфизики // Дифференциальные и интегральные уравнения Межвузовский сборник. - Иркутск, ИГУ, 1978, выпуск 5.

60. Охлопков Н.М., Г.Бюлер. Естественный метод расщепления краевых условий 2 и 3 рода полигональной области// Труды 3 Казахстанской межвузовской научной конференции по математике и механике. Алма-Ата, 1970.-С 105-112.

61. Охлопков Н.М.Численные методы решения краевых задач математической физики. - Якутск: Издательство ЯГУ, 1993. - 177 с.

62. Павлов A.B. Расчет и регулирование мерзлотного режима почвы. -

Новосибирск: Наука СО, 1980. - 240с.

94

63. Павлов A.B., Оловин Б.А. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей. - Новосибирск: Наука СО, 1974,- 182с.

64. Пепеляев B.C., Тараканов А.И. Выбор методики испытаний промысловых трубопроводов из полиэтиленовых армированных синтетическими нитями труб // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. - 2007, №3. - С. 78-80.

65. Пепеляев B.C., Тараканов А.И. Полиэтиленовые армированные трубы для газопроводов с рабочим давлением свыше 1,2 Мпа // Полимергаз. 2006, №4. -С. 14-18.

66. Пепеляев B.C., Тараканов А.И. Полиэтиленовые трубы, армированные синтетическими нитями для нефтепромысловых трубопроводов // Интервал. Передовые нефтегазовые технологии. - 2006, №9. - С. 33-37.

67. Пехович А.И.и Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. - Л., «Энергия», 1976. - 352 с.

68. Полимерные трубы и трубопроводы. Пер. с англ. под ред. В. В. Ковриги. Издательство: Профессия, 2010. -485 с.

69. Полубелова Т.Н., Слепцов В.И., Изаксон В.Ю. Математическое моделирование процесса теплообмена уступа карьера в вечномерзлых породах// ФТПРПИ - 1996, №3 - С.45-53.

70. Размазин Г. А. Прогнозирование температурного режима вечномерзлых грунтов вокруг теплопроводов // НПЖ Энергетика Тюменского региона. Тюмень, 2000, № 3(9). - С. 7-8.

71. Размазин Г. А., Моисеев Б. В. Теплоэнергоэффективная технология // Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов /Сб. матер, науч,-практич. конф. Пенза, 1999. - С. 40-41.

72. Размазин Г. А., Моисеев Б. В., Шаповал А. Ф. и др. Энергоэффективные технологии в системе теплоснабжения // НПЖ Энергетика Тюменского региона. Тюмень, 1999. № 5(6). - С. 33-34.

73. Размазин Г.А. Метод теплового расчета наземного водовода с пенополнуретановой изоляцией для севера Тюменской области // НТЖ Строительный вестник Тюменской области. - Тюмень, 2000, - С. 12-13.

74. Размазин Г.А. Новые технологии // НТЖ Строительный вестник Тюменской области. - Тюмень: 1998, № 4 (5). - С. 15-16.

75. Размазин Г.А., Моисеев Б.В. Исследование теплообмена наземного водовода с пенополнуретановой изоляцией на севере Тюменской области //Проблемы водного хозяйства и экологии водных бассейнов / Сб. Матер. Всероссийской науч.-практ. конф. - Пенза, ПДЗ, 2000. - С. 10-12.

76. Размазин Г.А., Моисеев Б.В. Тепловое взаимодействие бесканальной прокладки теплопроводов с вечномерзлыми грунтами / / Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов / Сб. матер. II международной науч.-техн. конф. - Пенза, ПДЗ, 2000. - С. 106-110.

77. Самарский А.А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент Вестник АН СССР. - 1979, №5. - С. 38-49.

78. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М:Наука,1977. - 565 с.

79. Самарский А.А., Вабигцевич П.Н. Вычислительная теплопередача. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.

80. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономическая схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана// Журн. вычисл. математики и мат. физики. - 1965, Т.5, №5. - С.816-827.

81. Saxena Р.К., Shan К.С. Analitikal Determination of Temperature Distribution around a Buried Heated Pipe. - Ind. J. Technol., 1974, July, v/12, P. 315-316.

82. Shapoval A. Ph., Remizov V.V., Moiseev B.V. and others. The Thermal Transfer through Light Wall Panel with Thermal Conduction Components. Healthy Buildings / IAO'97, Washington DC, USA, September 27 - October 2, 1997, P. 403-407.

83. Svendsen J.A. Mathematical Modeling of Wax Deposition in Oil Pipeline Systems. - AICHEjournal, 1993. -V. 39, № 8. P . 1377-1388.

84. Скачков Ю.Б. Современные изменения климата Центральной Якутии // Климат и мерзлота: комплексные исследования в Якутии. Якутск. Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2000. - С.55-63.

85. Скрябин П.Н., Варламов С.П., Скачков Ю.Б. Оценка современных изменений температурного режима грунтов // Раздел монографии "Влияние климата на мерзлотные ландшафты Центральной Якутии". Якутск: ИМЗ СО РАН ассоц. член изд-ва СО РАН, 1996. - С.45-57.

86. Скрябин П.Н., Скачков Ю.Б, Варламов С.П. Потепление климата и изменение термического состояния грунтов в Центральной Якутии // Криосфера Земли. 1999, Т.З, №3. - С.32-40.

87. Слепцов В.И., Мордовской С.Д., Изаксон В.Ю. Математическое моделирование теплообменных процессов в многолетнемерзлых горных породах. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1996. - 104с.

88. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение, наружные сети и сооружения/ Минстрой России. - М.: ГП ЦПН. 1984. - 120 с.

89. СНиП 23-01-99. Строительная климатология / Госстрой России. - М.: 2000. -62 с.

90. СНиП 41-02-2003. Тепловые сети / Госстрой России. - М.: 2004. -39 с.

91. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов / Госстрой РФ. - М.: 2004. - 29 с.

92. Справочник по климату СССР. Часть I. Солнечная радиация, радиационный баланс. Выпуск 24. Якутская АССР - JL: Гидрометеоиздат., 1967.-96с.

93. Сухарев М. Золотая книга DELPHI. -СПб.: Наука и Техника, 2008. - 1040с.

94. Теплофизические свойства горных пород. М.: Изд-во МГУ, 1984. - 204с.

95. Тихонов.А.Н., Самарский A.A., Уравнения математической физики. -М:Наука, 1966. -501 с.

96. Tabunschikov Y., Mathematical models of thermal conditions in buildings. CRC Press, USA, 1993.

97. Tatsuo NOGI «А Difference Scheme for Solving the Stefan Problem», Publ. RIMS, Kyoto Univ. 1974, P. 543-575.

98. The FEniCS Manual, Version October 31,2011.

99. Tuomas E., Skrinska A. An exploration of heat consumption for production of domestic hot water in central heat substations // Statyba. 1998, IV t., Nr. 3. P.196-201.

100. Уайт Дж.Л., Чой Д.Д. Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины. Пер. с англ. яз. (2005 г., Polyolefms: Processing, Structure, Development and Properties) под. ред. E.C. Цобкалло - Санкт-Петербург, Профессия, 2006. -256 с.

101. Фазовый состав влаги в мерзлых породах, /под ред. Э.Д. Ершова. - М.: МГУ, 1979.- 190 с.

102. Цытович Н.А. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грунтах// Изд. АН СССР, Сер. География и геофизика. - 1945, Т.9, №5-6. - С.493-502.

Схема фактического исполнения сег^и Сечения 1-1 2-2

Телюко

чо чэ

им

уп-г

УГ-1

--» ш ~

-1 П

- %

--81

УП-!

УП-3

ЯфпПШИС

Гарем

Paspes 1-1

JL-1

Грубо UPONOR SUPRA PLUS

Papa 2-2

I

Зоаюа memmm strnmox

ill ' j > ' ill

I'l,

EzíU^M____

ipyfo upohor mem sms

/ / i—*

Зосшшо wwww грунтом

П- HOMO

труы upoNQR кино smi

12-^ше

грубо vponcr mamo smglc

rpyeo uponor momo sm.c

-1С

Наружное сети теплоснебжениа и бодоснабжение Аднинистротибного здонш (НО 'ЯкутПНИИС

Qojmocmt QOUUJIUU Подпись Momo

Проверил SUHOWOC А Г Нарркнае сети теплоснабжения Стадии Пист Лиапоб

Исполнил тоноЬ BH Oteuo <ратическ<хо испаниени« сетей Сечения 1-1 2-2 ОНО ЯфпПНИИС

Формою AJ

Программный комплекс для решения задач теплового взаимодействия подземного трубопровода теплоснабжения с многолетнемерзлыми грунтами

В данном приложении описывается программа, созданная для решения задач, рассмотренных в диссертации. Алгоритмы решения реализованы на основе численных методов, рассмотренных в диссертации.

Программа написана на Delphi 7, представляющей собой среду разработки программного обеспечения для операционных систем семейства Windows. Для разработки программы имеются визуальные компоненты, из которых проектируется интерфейс, что позволяет разработчику потратить большую часть времени на непосредственное кодирование алгоритмов, а не на интерфейсную часть. Поэтому создание приложений на Delphi можно разделить на 2 этапа: оформление интерфейса, непосредственное программирование.

Разработка численных алгоритмов решения многомерных задач, разностных схем для разностной аппроксимации задачи в разных системах координат и при различных способах учета внешних воздействий и влияния теплообменных устройств в конечном счете приводит к необходимости их объединения в рамках единого комплекса для решения задач теплообмена в массивах многолетнемерзлых грунтов. Разработка программного комплекса представляет собой в основном работу для программиста, предварительное выполнение которой существенно облегчает построение конкретных вариантов математических моделей. В работе разработана программа «МОСТАК», представляющая собой программную оболочку для расчета процессов теплообмена. Программа представляет собой оболочку для решения двумерной задачи теплообмена для различных видов граничных и начальных условий. Используемые модели основаны на решении многомерной задачи теплообмена

100

с условиями Стефана. При этом учитываются фазовые переходы в спектре температур. При решении задач используется численный метод конечных разностей с использованием неявных разностных схем второго порядка с итерациями по нелинейности. Многомерные задачи решаются методом суммарной аппроксимации. Результаты расчетов выводятся динамически в виде графиков, таблиц и изолиний. Результирующие таблицы распределения температурного поля сохраняются в виде текстового файла. Основная практическая цель создания комплекса состоит в разработке программного обеспечения для дальнейших исследований динамики состояния грунтов вокруг трубопровода, которые требуют изучения взаимодействия естественного поля температур грунтов и наблюдения температурного поля в зоне влияния трубопровода теплоснабжения.

Детальный прогноз термомеханического состояния в таких случаях требует проведения большого объема расчетных работ в рамках многофакторных вычислительных экспериментов, при которых от программного комплекса требуется большая интерактивность, быстрота подготовки входных данных, полнота и ясность динамического представления результатов в процессе расчетов. Интерактивный контроль за ходом расчетов существенно повышает эффективность планирования и проведения многовариантных вычислительных экспериментов.

Программа представляет собой оконное приложение для WINDOWS , которое организовано на модульной структуре. Включает в себя управляющие, процедурные модули, модули описаний переменных, объектные модули, а также модули вывода результатов. Управляющие модули являются окнами с набором управляющих элементов, предназначенных для быстрого задания соответствующих параметров модели. В процедурных модулях описаны процедуры обработки данных и параметров программы и реализующие численное решение задачи. Модули описания переменных и объектов содержат описания глобальных переменных используемых при расчетах и описания

101

Через пункты меню из главного окна вызываются окна задания параметров модели. Окна задания параметров представляют собой стандартные диалоговые окна и позволяют удобно задавать расчетные параметры.

Окно задания геометрии расчетной области (рис. 19) предназначено для редактирования величины заглубления трубы, радиуса, толщины стенок трубы и слоя теплоизоляции. Также здесь задается предполагаемый радиус теплового влияния.

7 ' Геометрия расчетной области

Схема расчетной области модели

_ П

Параметры модели Глубина центра трубы

Радиус трубы, м

Н — глубина труБы

размеры труБы тепугаизоуг яции г идроизол яции

1000

0.070

Толщина стенки трубы, м 0.005

Толщина слоя теплоизоляции, м 0.020

Толщина гидроизоляции, м 10.002

Радиус теплового влияния, м 10.000

у 0К ГХ~СапоаГ]

Рис. 19. Окно задания геометрии расчетной области

Окно редактирования параметров теплообмена (рис. 20) предназначено для редактирования температура воды вне отопительного периода, коэффициента теплообмена вне отопительного сезона, температуры воды в начале отопительного периода, коэффициента теплообмена в отопительный период. Также задаются среднегодовая температура воздуха, амплитуда годовых колебаний температуры воздуха, коэффициенты теплообмена зимой и летом.

7 ' Теплофизические параметры материалов

Материал трубы

Коэффициент теплопроводности

Удельная теплоемкость

Плотность

||0.350

¡2300.000

938.000

Материал теплоизоляции

Коэффициент теплопроводности ¡0.050 Удельная теплоемкость ¡1800.000

Плотность

33.000

Материал гидроизоляции

Коз ФФициент теплопроводности 10.420 Удельная теплоемкость Плотность

1700.000

960.000

✓ ок | X

Cancel

- □ X

П

I

Рис.22. Окно задания теилофизических параметров материалов

Окно редактирования теплофизических параметров среды (рис. 23) предназначено для ввода теплофизических параметров среды в диалоговом режиме. Задаются свойства талого и мерзлого грунтов: коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, плотность. Указывается температура фазового перехода и пористость среды.

7' Теплофизические параметры среды

- П X

Свойства грунта

Коэ ФФициенг теплопроводности талого грунта ! 1.400

Удельная теплоемкость талого грунта j 1850. ООО

П лотность талого грунта 1700.000

Коэ ФФициенг теплопроводности мерзлого грунта ; 1.500

Удельная теплоемкость мерзлого грунта j 1750.000

П лотность мерзлого грунта 11700.000

Температура Фазового перехода ¡0.000

Пористость 0.200

X Cancel ¡

У ок

Рис. 23. Окно задания теплофизических параметров среды

Разработанная организация программного обеспечения, по мнению автора, является достаточно рациональным при проведении многовариантных вычислительных экспериментов. Тем не менее, может совершенствоваться разработчиком в процессе использования комплекса пользователем и по его желанию. Современные методы и средства разработки программного обеспечения позволяют организовать любую структуру и интерфейс программы. Модульная структура программы на основе объектно-ориентированного подхода существенно облегчает модификации программы при развитии математической модели, внесении учета дополнительных факторов и процессов. В большинстве случаев это является необходимостью при адаптации математических моделей к климатическим условиям, учета особенностей модулируемой среды, технологических особенностей моделируемых объектов.

Практика использования программного комплекса показала, что интерактивный контроль за ходом расчетов существенно повышает эффективность планирования и проведения массовых вычислительных

экспериментов, когда необходима оптимизация порядка и глубины проведения расчетов, а решения принимаются по текущим результатам расчетов.

Организация вывода данных в файлы для дальнейшей обработки информации может быть изменена по желанию пользователя (заказчика). Обычно постпроцессинг использует общераспространённые пакеты построения графики, статистического анализа и пр. Эти пакеты имеют известные заданные форматы входных файлов и формат вывода данных должен быть наиболее приближенным к ним, содержать минимум «лишней» информации и требовать минимальной обработки данных для дальнейшего анализа.

' 1 О С V Д" А Р С 1 В Г Н-Н Л Я А.КА'Л ВМ й! НАУ.К *

Р о С Г И Й С К Л Я А КЦа Д Е мз! Я О Ь Р А ЗОВ А*Н и я

ИНСТИТУТ НАУЧНОЙ И ЙВДАГОГЙЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ФОНД ЭЛЕШ РОИНКТ^РЕСУРСОН "НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ

'■ "Я; ^Ч Щт.

.ч - * ■■ иг

СВИДЕТЕЛЬСТВО О/ЕГИСГРАЦИИ

е В и с т®'л ши пгй Р с» г* V !>г л

Л& 18713

Настоящее свидетельство выдано на электронный ресурс, отвечающий требованиям новизны ^приоритетности

Программа расчета «Влияние бесканалыюго подземного трубопровода теплоснабжения на вечномерзлые грунты»

Дата регистрации 27 ноября 2012 года

¡Авторы Акимов М П., Мордовской С.Д., Старостин Н.П.

ТОрганизация-разработчик ФГЛОУ ВПО Северо-Восточный федеральный яЩк университет им. М.К. Лммосовя

ДирекюрННШШ РАО, ака.юмнк" РАО. д ш.ч., ¿фВф

Руководи гель ОФ'ЗРНиОмючегц работник науки II гехпу^ПУ^/!

А. 11 I алки]

¿9Н ¿ЫЬ

А.Ф. Сафропов

АКТ ВНЕД

УТВЕРЖДАЮ:

О.И. Матвеева 2013 г.

Мы, нижеподписавшиеся, представители ОАО «Якутский государственный проектный научно-исследовательский институт строительства» в лице Винокурова А.Т. и Саввинова Л.С. с одной стороны, представителяФГБУН Института проблем нефти и газа СО РАН в лице Старостина Н П.. и представителей СВФУ Мордовского С.Д, Акимова М.П. с другой стороны, составили настоящий акт о внедрении результатов законченной научно-исследовательской работы «Расчет теплового взаимодействия полимерного подземного трубопровода теплоснабжения с многолетнемерзлыми грунтами Центральной Якутии».

Исполнителями научно-исследовательской работы являются:

1. Старостин Н.П.. зав. лабораториейклиматических испытаний ИПНГ СО РАН, д.т.н., профессор - научный руководитель:

2. Мордовской С.Д.. зав. кафедрой информационных технологий Института математики и информатики СВФУ. д.т.н.:

3. Акимов Мир Петрович, ст. преподаватель Института математики и информатики СВФУ:

Выполнение вышеуказанной работы начато в ноябре 2012 г. и окончено в июне 2013 г.

Основные результаты работы: Разработаны численный алгоритм и программа в среде DELPHI для проведения вычислительных экспериментов по определению в полярных координатах динамики температурного поля в системе «труба-грунт» с учетом фазового перехода и дневной поверхности.

Результаты работы внедрены на ОАО «ЯкутПНИИС». г. Якутск. Республика Саха (Якутия).

От ИПНГ СО РАН и СВФУ

От ОАО «Як\ тПНИИС»

Исполнитель

Мордовской С.Д.

Исполнитель