Полигон СОУ. Методика обработки данных

В связи с тем, что СОУ на полигоне погружались несколькими этапами, в различные периоды времени. А также, в связи с тем, что СОУ были погружены в различные геокриологические условия (см. часть 1). Невозможно напрямую сравнить измеренные температурные грунта вокруг СОУ для определения эффективности различных СОУ. Поэтому был выбран более сложный путь по определению эффективности устройств.

Нахождение фактических (адаптированных) характеристик СОУ ведется путем сопоставления расчетных и фактических температурных полей грунтов, измеренных в термоскважинах. Т.е. подбиралась такая фактическая тепловая характеристика СОУ, чтобы расчётные температурные поля, с этой характеристикой, совпали с температурными полями, фактически измеренными в термоскважинах на полигоне.

Расчетные температуры грунта вокруг СОУ получались путем решения внешней задачи расчета теплообмена. Решение данной задачи выполняется численными методами с помощью программы Борей 3D.

Адаптация характеристик СОУ осуществлялась по следующему выражению:

Полигон СОУ. Методика обработки данных

Где Полигон СОУ. Методика обработки данных – расчетный коэффициент теплопередачи с 1 м2 конденсатора (теоретическая характеристика СОУ);

Полигон СОУ. Методика обработки данных – коэффициент теплопередачи с 1 м2 конденсатора найденный в процессе адаптации (адаптированная характеристика СОУ);

А – коэффициент адаптации, характеризующий изменения тангенса угла наклона теоретической характеристики, т.е. корректирует теплообмен за счет конвективной теплопередачи;

B – коэффициент адаптации, характеризующий изменения значения коэффициента теплопередачи при нулевой скорости ветра, т.е. теплообмен за счет свободной конвекции;

Нахождение коэффициентов A и B осуществлялось путем нахождения минимума функционала:

Полигон СОУ. Методика обработки данных

Где Полигон СОУ. Методика обработки данных – измеренное значение температуры грунта;

Полигон СОУ. Методика обработки данных – расчетное значение температуры грунта;

Минимизация функционала F как функции многих переменных, осуществляется методом покоординатного спуска.

Алгоритм выполнения адаптации параметров модели, следующий:

  • задаются начальные значения переменных (параметров) адаптации;
  • выполняется расчет модели;
  • выполняется расчет отклонений расчетных температур от заданных (фактически измеренных) в термометрических скважинах. Подсчитывается значение функционала ;
  • производиться шаг по координате одним из расчетных методов.
  • подсчитывается новое значение функционала ;
  • в случае если значение функционала определенного на текущей итерации меньше значения определенного на предыдущей итерации, то новые переменных (параметров) адаптации запоминаются, и итерация по координате повторяется;
  • в случае если значение функционала определенного на текущей итерации больше значения определенного на предыдущей итерации, то среду базы данных выполненных расчетов находится результат с наилучшим приближением и предоставляется возможность сохранить параметры адаптации в модель.

Для повышения достоверности полученных данных, адаптация моделей производилась на базе температур, измеренных ниже глубины 5 м по следующим причинам:

  • исключение влияния на расчеты слоя сезонно талых грунтов в связи с тем, что математические модели распространения температур в грунтах оснований не учитываю радиационный теплообмен дневной поверхности, перенос тепла с дренирующей через грунт жидкостью;
  • верхний слой до 5 м имеет наибольшие изменения температур грунтов. В связи с этим неточности определения положений датчиков температуры грунта приводят к наибольшей погрешности определения температур.

Положения датчиков температуры использованных для нахождения тепловых характеристик СОУ

Положение термокос для адаптации

Моделирование работы СОУ производится численными методами в трехмерной постановке. Расчетная область для проведения адаптации тепловых характеристик СОУ представляет собой параллелепипед с размерами 40 х 40 х 50 метров.

Расчетная область модели СОУ

Расчетная область модели СОУ

В центре модели располагается СОУ и термометрические скважины. По термометрическим скважинам заданы фактические (измеренные на полигоне) температуры. Данные температуры используются при адаптации тепловых характеристик СОУ.

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.

Сложности обработки данных

Температуры воздуха

Хотелось бы заметить, что одни из таких важных показателей как температура воздуха и скорость ветра измерялись на самом полигоне с большими сложностями. Четыре метеостанции RST «Meteoscan Pro 929», установленные на Полигоне, показывали различные температуры воздуха между собой. В ряде периодов данные вообще отсутствовали (по не выясненным причинам), а в ряде других периодов данные между метеостанциями хорошо коррелировались между собой. По скоростям воздуха различия данных между различными метеостанциями были заметно более существенные, чем по температурам воздуха.

Данные по метеостанции WXT 520 хорошо коррелировались с данными по метеостанции государственной метеорологической сети «Комака». Но эти данные также были обрывочными и их невозможно было использовать в расчётах. В связи с этим, для проведения расчётов мы были вынуждены использовать данные от государственной метеорологической станции «Комака», находящиеся в 95 км от полигона.

Сравнение данных, полученных на полигоне от метеостанции на полигоне с данными по метеостанциям государственной метрологической сети приведено в части 1. К сожалению, установка дополнительных метеостанций RST «Meteoscan Pro 929» (до 4 шт.) после первого цикла измерений, не решило проблему с получение достоверных климатических параметров.

Грунтовые условия

В 2015 сотрудниками ПАО «ВНИПИгаздобыча» выполнено бурение 3-х скважин и отбор монолитов. Определение теплофизических свойство грунтов выполнялось «Институтом природопользования НАН Беларуси».

Имелись расхождения со значениями теплофизических свойств, определенными в лаборатории и рассчитанными по СП 25.13330-2012. Наибольший вопросы вызывали температуры начала замерзания, определённые в лаборатории. По двум типам грунта температуры замерзания достигали минус 0,5 и минус 0,73°С. Т.е. для некоторых термостабилизаторов мы должны были считать, что они погружены в талый грунт, если температура вокруг них была минус 0,5°С.

Это совсем не вязалось с динамикой температурного поля, которую мы наблюдали по измерениям температур в термоскважинах. По характеру температурного поля можно было чётко определить, где грунт талый, а где мёрзлый, и примерно определить температуру начала замерзания.

Температурное поле для анализа Tbf

Для снижения погрешностей, связанных с неточностью определения теплофизических свойств грунтов, сотрудниками ПАО «ВНИПИгаздобыча» в 2017 году было выполнено дополнительное бурение 6 скважин с отбором образцов и определением теплофизических свойств грунтов. Как потом выяснилось, определение теплофизических свойств мерзлых грунтов, велось импульсным методом при температуре образцов минус 1 °С. Что не даёт нам достаточной уверенности в значениях теплофизических свойств грунтов, т.к. на свойства при данной температуре на них накладываются изменения, связанные с кривой незамерзшей воды. Теплофизические свойства грунтов в мёрзлом состоянии крайне желательно выполнять при как можно более низкой температуре грунта.

Объем данных

Первоначально, после первого зимнего сезона измерений, нами были выбраны помесячные данные для проведения моделирования. Выполнение моделирования показало, что у части СОУ расчётный данные хорошо коррелируется с измеренными, а у другой части СОУ расчётные данные плохо коррелировались, что создавало значительные относительные отклонения расчетных и измеренных температурных полей.

Помесячные данные значений температур для СОУ №11 на глубине 8м

Помесячные данные СОУ 11

Помесячные данные значений температур для СОУ №4 на глубине 8м

Помесячные данные СОУ 4

Последующий анализ выявил что выполнение расчётов на среднемесячных данных не даёт необходимой точности результатов. Дело в том, что графики фактических температур грунтов имели некоторые скачки данных, связанные с погрешностями измерений и человеческим фактором, а также имели отклонения, связанные со значительными тепловыми волнами идущими в результате воздействия СОУ. Если для проведения расчета, мы выписываем температуры грунта из таблиц помесячно, то мы можем попасть на пики или скачки данных, которые не будут характерны для работы СОУ.

Ежесуточные данные значений температур для СОУ №11 и СОУ №4 на глубине 8м

Ежесуточные данные СОУ 11 и 4

У более производительных или более эффективных СОУ колебания температур (тепловые волны) были более значительными, чем у СОУ, имеющих меньше тепловые характеристики.

Тепловые волны СОУ 26

В связи с этим, для проведения моделирования использовались ежесуточные измерения температур грунтов, а для получения тепловых волн в расчетных моделях пришлось использовать почасовой ход температур воздуха, вместо среднемесячных значений. Для сбора и подготовки исходных данных для моделирования потребовалось создание программного специального программного обеспечения.

Положения термоскважин

Фактические расстояния между термоскважинами и СОУ сильно влияют на модели, результаты сопоставление расчётных и фактических значений температур грунтов. Положение термоскважин и расстояния между ними отличались от планируемых 60, 120 и 240 см от СОУ. Для уточнения этих расстояний была произведена дополнительная топосъёмка и последующие дополнительные измерения рулеткой.

Наличие нескольких термоскважин для каждого СОУ изначально представлялось нам избыточным. Но в последующем, это позволило уточнить данные расчетов и подтвердить их достоверность. Дело в том, что если вы подбираете тепловую характеристику СОУ по одной термометрической скважине, то ошибки, связанные с определением теплофизических свойств грунтов, могут стать определяющими в погрешности и достоверности в адаптированной тепловой характеристике СОУ.

В нашем случае, наличие нескольких термоскважин в составе каждого СОУ позволяет нивелировать погрешности определение свойств грунта. Т.е. если бы у нас были значительные ошибки в определении теплофизических свойств грунтов, то мы бы не увидели совпадения динамики расчетного и измеренного температурного поля между различными скважинами.

Положения термокос

Термокосы можно расположить на разных глубинах по вертикали в термоскважине. За счёт этого один и тот же номер датчика термокосы может быть расположен на разной глубине. Если термокоса не висит свободно в термотрубке, то расстояние между датчиками может быть нарушено. Ситуация усугубляется тем, что термокосы вынимались для поверки и могли быть установлены в другие положения. За время проведения измерений на полигоне, часть термокос вышла из строя и была заменена.

При выполнении расчётов, положения термокос регулировалось по вертикали, исходя из наилучшего совпадения расчётных и фактических температур, но это не всегда было возможно, т.к. положение термокосы могли меняться.

Время проведения измерений

Время проведения измерений не фиксировалось и могло быть различным в разные дни. Строго говоря, если принять время на снятие информации с одной термокосы порядка одной минуты (на морозе это нормально), то съёмка измерений со всех термокос занимало порядка 3,5 часов.

Колебания данных

Часть измерений имела повреждённые данные связанные, вероятнее всего, с несрабатыванием приборов (логгеров). Часть измерений имеет колебания, которое невозможно объяснить тепловыми волнами, идущими от СОУ или погрешностями приборов. В ряде измерений были найдены данных, которые совпадали по значениям с другими днями, что в принципе маловероятно. Вероятнее всего, появление таких данных связано с человеческим фактором. Также имелись периоды колебаний данных, причины которых выявить не удалось.

Данные за отдельные дни и периоды, имеющие необъяснимые пики и колебания были исключены из температур, на базе которых производилась адаптация моделей.