Пластовый лед
Рано или поздно проектировщик встречает инженерно-геологические разрезы с пластовым льдом в качестве одного из инженерно-геологических элементов. Пластовый лёд в геологических разрезах можно встретить на территории полуострова Ямал, Якутии и др.
При оттаивании, появившаяся вода может иметь конвективную составляющую теплообмена (т.е. теплообмена за счёт перемешивания), а также вода может фильтроваться через прилегающие талые грунты, тем самым изменяя геометрию инженерно-геологического элемента. В программах для моделирования вечномёрзлых грунтов (ВМГ, ММГ), таких как QFrost, Heat, Борей 3D, Frost 3D и т.д., не моделируется конвективный теплообмен в полостях, а также расчетная сетка не меняет свою геометрию в процессе расчета. Для корректного расчета конвективной составляющей в отдельных полостях нужны сопряженные модели уравнений теплопроводности и уравнений Навье-Стокса. Строго говоря, моделировать лёд в указанных программах возможно только если он не осуществляет фазовый переход. Однако возможно выполнить приближённую оценку температурного поля оттаивающего основания и границ оттаивания.
Лёд можно определять в программе в качестве обычного материала. Теплоёмкость и теплопроводность льда в мёрзлом состоянии не вызывает трудностей. Встаёт вопрос о описании теплофизических свойств в талом состоянии. При этом, недопустимо использовать значение теплопроводности воды, взятой из справочника. Дело в том, что теплопроводность воды достаточно маленькая величина и основной вклад в перенос тепла осуществляется в виде конвективного теплообмена. Поэтому, в качестве талой теплопроводности необходимо использовать эффективную величину теплопроводности включающую конвективную составляющую.
При моделировании пластового льда исходят из следующих вариантов:
- Если лед в процессе расчета всегда находиться в мерзлом состоянии, то можно задать любую величину теплопроводности в талом состоянии. Т.е. если нет фазового перехода льда, то теплопроводность в талом состоянии не используется в расчете.
- Если в процессе расчета лед оттаивает, то в качестве теплопроводности в талом состоянии нужно использовать величину эффективной теплопроводности, т.е. с учетом конвективной составляющей теплообмена.
Оценить величину эффективной теплопроводности можно зная (оценив) значения теплоотдачи в слое с конвективной составляющей согласно формулам на рисунке.
- Если в процессе расчета лед оттаивает и при этом осуществляться осадка грунта и фильтрация воды через прилегающий слой талого грунта, то в качестве теплопроводности в талом состоянии принимают достаточно большую величину теплопроводности в талом состоянии (порядка 10-30 Вт/(м*К)). Тем самым моделируется что оттаявший лед, за счет фильтрации воды в грунты, не оказывает значительного термического сопротивления.