Способ моделирования температурных полей Советский патент 1960 года по МПК E02B1/02 G01N3/18 

Известные способы моделирования требуют сооружения дорогих моделей, применения сложного оборудования и т. п.

Для решения конкретных задач по замораживанию горных пород, с целью повышения их устойчивости при производстве строительных работ, предлагается способ моделирования тем.пературных полей на термосимильных материалах. Моделирование процессов замораживания горных пород на термосимильных материалах основано на использовании критериев подобия, выведенных из соответствующих дифференциальных уравнений теплопроводности. Известно, что для моделирования процессов замораживания или оттаивания горных пород необходимо соблюсти следующие критерии подобия:

. - idem (1); idem (2); idem (3); IL idem (4;;

где . «1, иг--температуропроводность горных пород соответственно в

мерзлом и талом состоянии, м /час; т - время протекайия процесса, час; I - линейные размеры, ж; а-объемная теплота плавления, ккал/м : п - пористость пород, %;

A.I, К-2 - теплопроводность пород соответственно в мерзлом и талом состоянии, ккал/м/час;

C..,fк

- idem (51;

№ 133446- 2 i, 4 - температуры соответственно в мерзлой и талой зонах

пород,°;

Се-объемная теплоемкость воды, ккал/м °; С2 - объемная теплоемкость пород в талом состоянии, ккал/м °; V - начальная скорость движения подземных вод, существовавшая до начала замораживания, м/час.

Критериальные соотношения (1-4) позволяют моделировать процесс замораживания пород при отсутствии движения подземных вод, а совокупность соотношения (1-5) -с учетом движения лодземных вод. Необходимым и достаточным условием возможности моделирования процессов замораживания пород является равенство отношений температуропроводностей пород модели и натуры в мерзлом и талом состоянии.

а

о -1

индекс о обозначает показатели модели.

Зная теплофизические свойства пород натуры и модели, а также их линейные размеры, определяют исходные величины моделирования:

I

масштаб времени -- ( 7 ()

о /

масштаб температур замораживания

anCi Ti

ч .о о

TI o o-iTi

е Ть Tio -объемный вес пород в мерзлом состоянии, -масштаб начальных температур пород

J о ч .(9)

2ч

Оо

масштаб скоростей фильтрационного потока

у C o-iCg /о

V,

Моделирование, производят неносредственно на. естественных породах, заполненных пресной водой, помеш,енных в специальный стенд, применяя отрицательную температуру для замораживания пород.

Предлагаемый метод моделирования процесса замораживания позволяет проводить исследование при положительной температуре охладителя, используя для этого термосимильные материалы, т. е. такие, которые удовлетворяют критериям подобия тепловых потоков. В этом случае необходимо, чтобы жидкий заполнитель твердых частиц термосйльного материала имел температуру точки плавления выше 0°, например, бензол ,5°, метакриловая кислота Г„ 16°, уксусная кислота ,6° и другие органические соединения. В качестве твердой составляюшей термосимильного материала модели при(8)

(10)

меняют металлические, стеклянные или пластмассовые шарики. Меняя диаметр шариков, можно в широких пределах варьировать теплофизические свойства термосимильного материала модели, так как будет меняться соотношение твердых частиц к жидкому заполнителю. При моделировании на термосимильных материалах температура плавления жидкого заполнителя соответствовать температуре точки плавления в натурных условиях, т. е. для пресной воды будет соответствовать 0°. При моделировании процесса на термосимильных материалах в качестве охладителя может применяться обычная вода определенной положительной температуры, соответствуюшей отрицательной температуре замораживаюшего рассола в натурных условиях.

Так, в случае, если термосимильиый материал представлен железной дробью, пустоты между которой заполнены уксусной кислотой; имеющей температуру точки плавления 16,6°, а диаметр- колонок уменьшен в 10 раз, то, исходя из уравнения (7), процесс замораживания на модели будет протекать, примерно, в 200 раз быстрее, чем в натурных условиях (приняты среднезернистые водонасьвдениые пески). Сопоставляя теплофизические свойства данного термооимильного материала с теплофизическими свойствами натурных среднезернистых песков, получаем, исходя из уравнения (8), что масштаб температур замора 1живания 7 3s3,5, Следовательно, понижение воды-охладителя на 1°

ниже 16,6° соответствует понижению, примерно, на 3,5° ниже 0° замораживающего рассола в натурных условиях; т. е. при моделировании процесса замораживания пород на выбранном термосимильном материале понижение температуры воды-охладителя от 16,6 до 0° будет соответствовать понижению температуры замораживающего рассола в натурных условиях от О до -58°.

Предмет изобретения

Способ моделирования температурных полей, создающихся в различных средах в ходе тепловых-процессов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения размеров модели и упрощения ее теплового оборудования, при моделировании в качестве жидкого заполнителя используют термосимильные материалы, а в качестве твердой составляющей-шарики, например, из металла, пластмассы, стекла и других материалов.

- 3 - № 133446