多年冻土区热管路基耦合传热模型及其结构优化研究

Thermosyphons, as a kind of highly effective proactive cooling measure of permafrost embankments, have been widely applied to numerous railway/highway engineerings in cold regions, however, it is still kept in the view of engineering experience to understand the working performances of thermosyphon embankment and its composite structure, and the systematical theory study is lacked in the coupled air-thermosyphon-soil heat transfer mechnism and model. Therefore, firstly, the relationship of heat transfer performance of a thermosyphon with environmental factors (e.g. temperature), installation methods (e.g. inclination angle) and its own factors (e.g. aspect ratio) will be studied through in-situ investigations and laboratory experiments, and the heat transfer characteristics of the thermosyphon and the coupled heat transfer mechnism between the thermosypon and its ambient media can be obtained. Then, based on the heat transfer mechnisms of thermosyphons and the related heat and mass transfer theories, the coupled "air-thermosyphon-soil" heat transfer model of thermosyphon embankment is established, and then verified by the following laboratary and in-situ experiments. Secondly, the thermal states of thermosyphon embankments can be numerically analyzed under different conditions by using the model. A simple and reliable calculation formula can be presented by summarizing the numerical and experimental results, and the range of key parameters can be determined based on the requirement of engineering. Finally, under the global warming, the economic, reasonable and effective composite embankment structures of both thermosyphon and other protective measures are developed to meet the requirement of highway/railway engineering, especilly high-grade highway construction and environment protection in permafrost regions.

在寒区道路工程中，热管作为一种高效主动冷却措施得到了广泛的应用，但目前对于热管路基及其复合结构工作效能的认识仍更多的停留在工程经验上，在气-管-土之间的耦合传热机制及模型方面仍缺乏系统的理论研究。因此，本项目拟通过野外和室内试验研究热管传热性能与环境条件（温度等）、设置方式（倾斜角度等）及自身要素（长径比等）之间的关系，查明热管传热特性及其与周围介质之间的耦合传热机制；再基于热管传热机理及相关传热传质理论，建立热管路基的“气-管-土”耦合传热模型，并利用后续的室内外试验结果进行检验和修正。利用该模型计算分析不同工况下热管路基的热状况，结合室内外试验结果，提出简单、可靠的热管传热计算方程，并在满足工程需要的条件下确定热管路基关键参数的取值范围。最后，在考虑全球气候变暖的条件下，确定热管与其他路基保护措施的经济、合理、高效的复合路基结构，为多年冻土区道路工程，特别是高等级公路建设与环境保护提供技术支撑。

热管作为一种高效主动冷却措施在多年冻土路基工程中得到了广泛的应用，但对热管路基及其复合结构工作效能的研究还存在很多不足。因此，本项目对多年冻土区已有热管路基热特征、耦合传热模型及新型热管复合路基结构等开展了系列研究。通过本项目的实施，获得的主要研究进展为：1）通过对多年冻土区现有热管路基热特征的监测分析，发现环境条件及热管几何结构、埋设方式等对热管的传热性能均具有显著的影响，但不同多年冻土区路基中热管工作状态的年变化趋势基本一致，热管蒸发段和冷凝段外壁温差是决定热管传热效能的主要因素；同时，确定了热管合理间距范围为3.0-4.0m；2）通过室内试验对热管传热性能进行了测试，发现倾斜角度、蒸发段和冷凝段长度比、长径比对热管的传热性能具有显著的影响。分析确定了热管的最佳传热倾斜角度约为20º；同时，研究发现对于同一根热管而言，在相同倾斜角度下蒸发段与冷凝段长度比为1.00时，热管的总热阻最小，因此在实际工程中应考虑蒸发段和冷凝段的有效面积比（考虑翅片有效面积）来确定热管的设计尺寸，提升热管的传热性能。此外，对于长度相等的热管而言，当蒸发段和冷凝段长度相等时，长径比较小的热管的总热阻小于长径比较大的热管；3）结合试验结果，基于能量守恒原理，阐释了热管与大气环境、周围土体的耦合传热机制，采用热阻法，提出了热管传热计算的简化方程，建立了考虑L形热管传热的多年冻土区热管路基气-管-土耦合传热计算模型，并利用室内和野外试验结果进行了检验和修正；4）通过室内外试验和数值模拟，评估了多种热管复合路基结构的降温效果，并对其进行了优化和再研发，最终确定了能够有效保证多年冻土区宽幅高等级公路热稳定性的热管复合路基结构。以期为青藏高速公路等多年冻土区相关工程建设与环境保护提供科学参考。