多年冻土区大粒径-大孔隙块体介质路基对流换热过程研究

本项目针对全球气候变暖和多年冻土区宽幅高等级公路建设的需要，拟通过风洞试验和大型模型试验，研究大粒径-大孔隙块体介质层中空气对流换热过程及机理，建立层内空气运动动量方程，完善多年冻土区块体介质路基对流换热模型，并给出新建动量方程中关键参数的通用计算公式。采用数值模拟和试验相结合的方法对块体介质的尺寸、形状、排列方式等特征参数进行优化，给出大粒径-大孔隙块体介质层自然对流换热的最小启动温差及临界瑞利数。最后通过数值模拟，在考虑全球气候变暖的条件下对多年冻土区宽幅高温路面下大粒径-大孔隙块体介质路基长期热稳定性进行预测和评价，并提出其合理高效的路基结构形式。项目研究成果将使我们对多年冻土区宽幅高温路面下大粒径-大孔隙块体介质路基的传热特性和传热过程有更加深入准确的认识，使块体介质传热传质理论得到更全面的发展和应用，而且对多年冻土区宽幅高等级公路路基的优化设计与结构选型具有重要指导意义。

本项目为满足多年冻土区大粒径-大孔隙块体介质路基理论和数值研究的需要，通过风洞试验对三种大粒径-大孔隙块体介质层的对流-通风特性进行了研究，发现块体介质层内空气压力梯度与渗流速度之间存在明显的二次关系，进而建立了大粒径-大孔隙块体介质层内空气运动动量方程，并计算得到了动量方程中两个关键的通风阻力参数：渗透率和惯性阻力系数。同时，基于本试验结果和相关成果，给出了立方体排列混凝土球层和随机堆置块石层的渗透率和惯性阻力系数两个通风阻力参数的计算公式，并建立了在通风阻力相同条件下，这两种块体介质层粒径之间的关系。这些研究成果不仅促进了多孔介质传热传质理论的应用和发展，而且为多年冻土区大粒径-大孔隙块体介质路基的热稳定性研究与评价提供了理论基础。