Введение к работе
Актуальность. В основе проектирования объектов промышленного и гражданского строительства лежит знание физико-механических свойств грунтов и их реакции на изменение условий окружающей среды. Хозяйственная деятельность человека в регионах с холодными климатом нарушает естественный тепловой режим грунтовых толщ. В результате основания сооружений могут быть подвержены недопустимым деформациям Особенно сильные изменения происходят в водонасыщенных мелкодисперсных грунтах при замерзании и оттаивании. Неотъемлемая составляющая прогноза устойчивости строительных объектов в условиях холодного климата – моделирование тепломассообменных процессов в промерзающих и протаивающих грунтах.
В грунтовых системах замерзание воды или плавление льда вызывает относительное перемещение компонентов и может приводить к необратимым структурным и текстурным изменениям. В естественных условиях, как результат движения влаги к границе промерзания, влажность мелкодисперсного мерзлого грунта оказывается выше влажности талого. Экспериментальными исследованиями установлена совокупность различных факторов, влияющих на скорость миграции влаги. Это, в первую очередь, свойства грунта - дисперсность, минералогический состав, засоленность, состав обменных катионов, а также характер взаимодействия системы с окружающей средой - скорость промерзания и гидравлическая связь с водоемом [Тютюнов, Нерсесова, 1963].
Поскольку в мелкодисперсных грунтах фазовое превращение воды в лед занимает некоторый температурный диапазон, то текстурные изменения в системе происходят не только вблизи границы промерзания, но и внутри массива мерзлого грунта [Ершов, 1979; Чеверев, 2004]. Массообменные процессы в мерзлых грунтах могут быть инициированы, помимо градиента температуры, иными термодинамическими силами - градиентами давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала [Основы геокриологии, 1995]. Существование жидкой фазы в дисперсных средах, содержащих лед, обеспечивает относительно высокую скорость массообмена внутри среды в некотором диапазоне температуры.
В основе теоретических моделей тепломассообменных процессов, происходящих в промерзающем или мерзлом грунтах лежат законы тепломассопереноса, которые в общем виде представляет собой функциональную зависимость потоков тепла и массы от градиентов термодинамических потенциалов - температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала. Если система находится вблизи состояния равновесия, эта зависимость представляет собой линейную форму [Хаазе, 1967]. Коэффициенты переноса, входящие в эти соотношения определяются экспериментально. К настоящему времени наиболее изученными оказываются теплопроводящие [Теплофизические свойства..., 1984; Комаров, 2003] и фильтрационные [Williams, Burt, 1974; Horiguchi, Miller, 1983] свойства мерзлых пород. В меньшей степени представлены экспериментальные работы по термоосмотическим [Perfect, Williams, 1980], диффузионным [Murrmann, 1973; Чувилин, Смирнова, 1996] и электроосмотическим свойствам [Ананян, 1952; Иванов, 1957; Hoekstra, Chamberlain, 1964; Van Gassen, Sego, 1991]. Измерение коэффициентов переноса мерзлых дисперсных сред занимает достаточно длительное время, в течение которого, как правило, меняется текстура мерзлой породы. Текстурные преобразования сопровождаются движением жидкой фазы относительно твердых составляющих. Роль такого движения особенно велика в диффузионных процессах – скорость диффузии химических элементов в мерзлых породах оказывается одного порядка со скоростью диффузии в талых.
Иногда рассматриваемая система обнаруживает, на первый взгляд, неожиданные свойства. Известно, что в условиях закрытой системы в однородном полностью водонасыщенном мерзлом грунте под действием градиента температуры, близкого по величине к природному, происходит миграция воды в сторону более низкой температуры [Ершов, 1979]. В условиях же открытой системы наблюдается обратная картина - поток массы, проходящий через образец мерзлого грунта, совпадает по направлению с градиентом температуры [Perfect, Williams, 1980]. Если в первом случае движение воды сопровождается деформируемостью скелета пористой среды, иначе оказывается невозможным изменение влажности грунта, то во втором случае деформируемость скелета играет второстепенную роль, а поток массы в образце есть следствие относительного движения льда и частиц грунта.
При моделировании тепломассообменных процессов в мерзлых грунтах необходимо учитывать оба эти фактора. При этом, следует иметь в виду, что деформирование скелета грунта всегда сопровождается движением льда.
Проблема состоит в установлении общих закономерностей относительного движения твердых фаз (льда и грунтовых частиц) в мерзлых и промерзающих грунтах. Последовательное решение задачи предполагает, что на первом этапе исследования фактор деформирования скелета должен быть исключен из рассмотрения. Это можно сделать посредством использования пористых материалов с жестким скелетом.
Объект исследования – мерзлая жесткая бипористая среда, содержащая жидкую фазу.
Предмет исследования – тепломассообменные свойства указанной выше системы.
Основная цель работы. Установить роль движения льда относительно минерального каркаса в тепломассообменных процессах в мерзлых пористых средах вблизи температуры начала замерзания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка модели бипористой среды регулярной структуры и установление связи между потоками и термодинамическими силами;
- определение коэффициентов теплопроводности льда с пористыми частицами и коэффициентов переноса пористой среды с включениями льда, мелкопористая часть которых насыщена водным раствором неэлектролита;
- определение коэффициентов теплопроводности и термоэлектрополяризации льда с пористыми частицами и коэффициентов переноса пористой среды с включениями льда, мелкопористая часть которых насыщена водным раствором электролита и обладает осмотическими и электроосмотическими свойствами;
- разработка экспериментального метода и создание установки по определению коэффициентов переноса мерзлых пористых сред с высоким разрешением по температуре. Измерение тепломассообменных характеристик пористой среды с включением льда и проведение сравнительного анализа с теорией.
Научная новизна работы.
- установлено, что законы переноса тепла и массы для мерзлой бипористой среды представляются в общем виде: потоки тепла и массы линейно зависят от всей совокупности термодинамических сил – градиентов температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала;
- доказано, что движение льда в пористой среде, насыщенной раствором неэлектролита заметно увеличивает теплопроводящую, термоосмотическую и осмотическую способность среды;
- доказано, что движение льда в пористой среде, насыщенной раствором электролита, значительно увеличивает термоэлектрическую способность среды и практически не сказывается на величинах электроосмоса и потокового потенциала; показано, что осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой части среды существенно влияют на тепломассообменные свойства бипористой среды;
- впервые определена в эксперименте вся совокупность коэффициентов переноса образца мерзлой пористой среды и выявлена двоякая роль незамерзшей воды между льдом и скелетом пористой среды.
Практическая значимость работы.
Прогноз влияния температурных условий на устойчивость сооружений, находящихся в холодных климатических условиях, основан на моделировании тепломассообменных процессов в промерзающих или протаивающих грунтах. Неотъемлемыми составляющими теоретических моделей криогенного текстурообразования и влагонакопления являются законы переноса тепла и массы. Настоящим исследованием обосновывается, что законы переноса для мерзлой породы, которая содержит в своем составе достаточное количество незамерзшей воды, должны иметь общую форму: потоки тепла и массы линейно выражаются через всю совокупность термодинамических сил.
Скорость и направление движения льда внутри пористых объектов регулируются внешними градиентами термодинамических величин и зависят от тепломассообменных свойств среды. Размещенный внутри микробиологогического объекта лед может служить инструментом для изучения особенностей функционирования биологических систем и способом воздействия на их свойства.
В мембранной технологии для нахождения максимального размера сквозных каналов применяется «метод определения точки пузырька плоских мембран» (ГОСТ Р 50516-93). Этим методом определяют размеры пор в диапазоне 0,1 – 15 мкм. Нами предложен способ определения максимального размера сквозных в диапазоне 0,04 – 2 мкм по проникновению льда через фильтр, который по сравнению с методом пузырька имеет ряд преимуществ.
На защиту выносятся.
1. Теоретическая модель бипористой среды и общие результаты исследований ее тепломассообменных свойств: законы переноса тепла и массы в мерзлых пористых средах вблизи температуры начала замерзания имеют общую форму – потоки тепла и массы выражаются через всю совокупность термодинамических сил: градиенты температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала.
2. Результаты исследования тепломассообменных свойств бипористой среды, насыщенной раствором неэлектролита: увеличение значений коэффициентов теплопроводности, осмоса и термоосмоса мерзлых пористых сред вблизи температуры начала замерзания есть следствие движения льда относительно минерального каркаса.
3. Результаты исследования тепломассообменных свойств бипористой среды, насыщенной раствором электролита: наличие льда в пористой среде значительно усиливает его термоэлектрополяризационные свойства и ослабляет электроосмотическую способность среды, в то время, как значение потокового потенциала слабо зависит от содержания льда в пористой среде.
4. Результаты экспериментальных исследований тепломассообменных свойств водонасыщенной пористой керамики с включением льда: показано, что измеренные коэффициенты переноса близки по величине к расчетным; обнаружена слабая зависимость величин коэффициентов от температуры в диапазоне –0,01 –0,05 град. Цельсия; подтверждена выполнимость принципа взаимности Онзагера для систем с фазовыми переходами. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических исследований показывает, что незамерзшая вода между льдом и поверхностью минерала выполняет двоякую роль: с одной стороны, уменьшает скорость движения льда и, как следствие, снижает массоперенос воды в твердой фазе, с другой стороны, служит дополнительным водотоком, тем самым, повышая массоперенос в жидкой фазе.
Личный вклад соискателя. Основные результаты по теме диссертации получены лично автором.
Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ИКЗ СО РАН, включая интеграционные программы СО РАН №№ 13 и 122), и на отдельных этапах была поддержана грантами: РФФИ 05-05-64228-а; Губернатора Тюменской области 2007 г. “Режеляционный способ очистки воды”; Губернской Академии 2007, 2008 гг.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 9 межотраслевой научно-методологический семинар (Тюмень, 2002); Международная конференция Permafrost (Zurich, Switzerland, 2003), Международная конференция “Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения” (Пущино, 2003), Международная конференция «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), Международная конференция «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006), Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, включая 1 книгу (в соавторстве), 9 статей в рецензируемых зарубежных (International Journal of Heat and Mass Transfer – 4 статьи) и отечественных журналах, в том числе из перечня ВАК – 5 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 262 страницы, в том числе 46 рисунков и 4 таблицы, список литературы содержит 205 наименований.
