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    埋地管道水熱耦合數值模擬

    2019-04-08   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港調查隊獲悉:高pH值污水管道中硫化氫以S或HS-形式存在,取決于污水的pH值M,升高pH值可以大幅度降低溶解態分子硫化氫的濃度。研究表明,pH值為8. 0時,只有約8%的硫化物以H2S的形式存在;pH值為9.0時,H2S下降到不足1%.另外,提高pH值可以增加污水中自由氨的濃度,擾亂質子動力和MA的體內平衡,從而抑制了MA的增長16. Gutierrez等在模擬管道反應器中加入氫氧化鈉來研究pH值對生物膜中SRB和MA活性的影響,結果發現,與控制反應器(pH值為7.6)相比,pH值為8.6和9.0時生物膜中SRB的活性分別減小了30%和50%,而且沒有甲烷的積累。同時,他們在壓力管道中通過投加氫氧化鎂,發現高pH值(9.0~9.3)能顯著降低溶解性硫化物的濃度,且幾乎沒有甲烷產生E7.但是,連續加入堿類物質維持管道內的高pH值將會增加有害氣體控制的成本,也會對下游的污水處理產生干擾。因此,該方法在應用之前尚需要進一步完善。
      
      動量守恒、能量方程守恒方程如下:(1)質量守恒方程為(2)動量守恒方程為-3-)為慣性損失系數,m―1為孔隙率,無在溫度場與水分場耦合問題的研究中,經常假設土壤在空間上是分層均質的,土壤含水量較小,均勻分布各向同性。凍土層作為隔水層,無地下水補給及其他邊界的水分補給和排泄作用,各土層含水量穩定。但實際多年凍土具有較強的源匯作用,水分場是不可忽略的因素m.以往只考慮其單一輸運,未討論二者耦合效應。土壤中溫度分布不均,不僅導致熱流,而且影響水分流,尤其在多年凍土區,土壤溫度引起水的相變更加明顯0.水分遷移同樣伴隨熱量流。分析水熱場耦合遷移運動,需建立符合實際的水熱耦合方程。
      
      1數學模型以下為飽和凍土多孔介質水熱耦合控制方程。
      
      土壤孔隙是指孔隙中完全充滿水時水的質量與固體顆粒質量之比。假設土體各相均質連續,相變過程流體密度變化符合boussinesq假設,低速滲流時,水分遷移符合達西定律,忽略由相變融化引起的速度變化M.根據有限容積理論,建立的質量守恒、基金項目:遼寧省自然科學基金項目“凍土區埋地管道周圍土壤水熱力耦合問題研究”(編號:20082186):付俊鵬(1985-),男,主要從事凍土區管道土壤水熱力耦合研究。E-nail:fuunpeng126.com因次4為孔隙壓力,Pa;Dp為粒子平均直徑,mm;p為流體動力黏度,Pa為流體膨脹系數,UK,Alsh為固液糊狀區常數,用來反映凍結前鋒的形態;yS為液相分數,無因次,T為流體溫度,K;Tw為流體基準溫度,K;Twidus為凝固溫度,K;Tliquidus為融化溫度,K.(3)能量守恒方程為+(1-s)kp,為有效導熱率,W/(m;kf為液相熱;ks為固相熱導率,W/(mK);kp為多孔介質骨架熱導率,WnW;Ps=1-a(T-Tref)為固相介質密度,kg/m3;Pp為多孔介質骨架的密度,kg/m3;T為流體溫度,K. 2數值模擬分析7.0,為風速,1!1/3,入為有效導熱率,1/(爪-1.邊界。
      
      與管道內壁的當量換熱系數,117Wm2管道內徑,m,T為管內原油溫度,K.計算選用輸油溫度為330K,管徑R壁厚9mm.管道中心距地面h =2m初始地溫-5°C,凍土土壤導熱系數As=1.47WKmK),比熱Cp=1764kgK),凍土土壤密度Ps=1680kg/m3忽略管道軸向溫降,建立二維非穩態傳熱模型,外直徑熱力影響區域4=5m,y=8m63保溫材料物性如表1.表1保溫層物性參數名稱體積質量溫度/C含水率/%抗壓強度為管道外壁面平均熱流密度變化曲線。由于土壤與大氣間熱交換的存在,土壤溫度不斷隨時間周期性變化,熱流密度對應于土壤溫度呈現周期性變化的趨勢。熱流密度變化趨勢與環境溫度變化相反,土壤溫度降低,油管熱流密度升高。原因是:①由于季節或地下水位變化時,土壤濕度發生變化,使土壤導熱系數變化,另外在水分熱遷移的作用下傳熱系數發生變化。②土壤溫度隨季節變化而產生的吸熱和放熱,影響管道內原油的散熱。在土壤從大氣吸熱的月份管道熱流密度數值減小,熱損失下降。
      
      土壤向大氣放熱的月份,管道熱流密度數值增大,熱損失升高。無保溫層的管道更易受土壤溫度波動的影響,熱流密度遠高于有保溫措施的管道,并且振蕩劇烈8.兩種有保溫層管道比較,采用導熱系數小的保溫層熱流密度曲線波動小,具有很好的保溫效果。
      
      中國鋼管信息港調查隊獲悉:分別繪制了無保溫層、40mm聚釀保溫層和40mm玻璃棉保溫層分別在夏季(8月)、冬季(12月)和春季(3月)的土壤融化相變界面移動規律,由圖可知無保溫層情況下,凍土融化范圍最大,在40mm聚氨酯保溫層時融化最小,管道采用導熱系數小的保溫層可以明顯降低凍土融化范圍,減小融沉深度,保護管道安全,防止多年凍土被破壞。
      
      (a)無保層40mm聚軟酯泡沫夏季冬季春季40mm玻璃棉由給出的管道夏季運行土壤溫度場等值線圖可知,無保溫層時,緊靠管外壁土壤溫度很高,比采用40mm聚氨酯保溫層的土壤溫度高出20K,比相同厚度的玻璃棉保溫層高出10K.3種情況下,273K等溫線距管中心的距離相差較大,無保溫層時273K等溫線距管道外壁2. 508m,采用40mm聚氨酯和40mm玻璃棉保溫層時,273K等溫線分別距管道外壁1.358m和1.609m.由管道冬季運行土壤溫度等值線分布圖可知,冬季加熱輸送時,原油通過土壤向大氣放熱,土壤溫度場在管道附近的等溫線近似呈橢圓分布,等溫線上密下疏,管道向上散熱的熱流強度較大。原油與環境的溫差越大,這種趨勢越明顯,管外環形土層內所蓄積的熱量高于自然地溫的熱量940.無保溫層、40mm聚氨酯和40mm玻璃棉保溫層的狀態下273K等溫線分別距管道外壁3.529m,2.576m.對比管道春季運行土壤溫度場等值線圖得出,3種情況下273K等溫線移動速度明顯降低。原因在于,春季土壤從大氣吸熱,土壤溫度梯度減小,從而導致273K等溫線移動速度放緩。中國鋼管信息港調查隊獲悉 
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