Моделирование температурного поля грунтов в основании
водопропускной трубы
Рассмотрим модель расчета температур многолетнемерзлых грунтов водопропускной трубы в основании взлетно-посадочной полосы.
Характеристики грунтов
В расчете приняты следующие инженерно-геологические элементы.
Климатические данные
Значения адаптированных граничных условий.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -29.6 | -23.3 | -14.4 | -4.5 | 6.4 | 16.2 | 18.8 | 15.0 | 7.6 | -4.4 | -20.7 | -28.1 |
| Скорость ветра, м/с | 2.8 | 2.7 | 3.1 | 3.7 | 3.7 | 3.5 | 3.3 | 3.1 | 3.1 | 3.5 | 3.0 | 2.9 |
| Теплоотдача, Вт/(м2*К) | 9.05 | 8.81 | 9.77 | 11.21 | 11.21 | 10.73 | 10.25 | 9.77 | 9.77 | 10.73 | 9.53 | 9.29 |
| Высота снега, м | 0.146 | 0.170 | 0.195 | 0.097 | - | - | - | - | - | 0.049 | 0.097 | 0.122 |
| Плотность снега, кг/м3 | 116 | 121 | 125 | 250 | - | - | - | - | - | 99 | 108 | 112 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0.175 | 0.180 | 0.185 | 0.369 | - | - | - | - | - | 0.158 | 0.166 | 0.171 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К) | 1.059 | 0.943 | 0.865 | 2.830 | 11.21 | 10.73 | 10.25 | 9.770 | 9.770 | 2.487 | 1.448 | 1.218 |
Расчетная область
Для выполнения прогнозных расчетов температур грунтов выбрана расчетная область, размерами 60,0 х 120,0 х 50,0 м (по осям x, y, z соответственно). Насыпь, взлётно-посадочное полотно (бетон), фундамент, водопропускная труба, выемки – моделировались с помощью 3D объектов. Некоторые из них создавались средствами Борей 3D, другие – с помощью внешней CAD программы, с загрузкой в программу через формат Stl.
Граничные условия
На верхней границе расчетной области задавались граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова. На нижней границе расчетной области и боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
Температура на поверхности взлетно-посадочного полотна рассчитывалась согласно 121.13330.2012 (Приложение Д).
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура на поверхности взлетно-посадочного полотна, ⁰С | -21.0 | -14.1 | -5.8 | 3.7 | 14.3 | 24.1 | 26.1 | 21.6 | 13.9 | 2.5 | -12.3 | -19.8 |
Области различных граничных условий приведены на рисунке ниже.
Водопропускная труба моделируется граничными условиями 2-х типов. На верхней образующей трубы заданы граничные условия климата со скоростью ветра 0 м/с и отсутствием снега. На нижней образующей трубы заданы граничные условия водотока.
Граничные условия водотока сформированы исходя из предположения, что водоток будет осуществляться в весенний период времени, и в течении 15 дней будет повышенная теплоотдача с нижней образующей водопропускной трубы.
(Значения остальных граничных условий можно посмотреть непосредственно в самой модели по ссылке ниже).
Шаги деления сетки
Расчетная область разбивается на неравномерную расчетную сетку со сгущением сетки в области водопропускной трубы, взлетно-посадочного полотна и выхода водопропускной трубы.
Расчетная сетка состоит из 5 млн. ячеек, с количество ячеек 127 х 293 х 134 (по осям x, y, z соответственно).
Граничные условия, перенесенные на расчетную сетку показаны ниже.
Начальные условия
В качестве начальных приняты наиболее критичные условия с точки зрения теплового воздействия на грунты оснований, т.е. отсыпка насыпи талым грунтом в конце летнего периода.
Результаты расчета
Время расчета данной модели на 30-летний период эксплуатации, на видеокарте Nvidia GeForce gtx 1080 составляет 45 минут. Полученное температурное поле грунтов оснований приведено ниже.
Сечение вдоль водопропускной трубы с изолиниями температур показано ниже.
Температурное поле в виде изоповерхностей показано ниже.
Файлы для загрузки
Вы можете скачать файлы данного расчета по данной ссылке.