一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法技术

本发明专利技术提供一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，该方法包括通过求取两个相邻温度区间的冻土相变潜热，计算获取两个相邻温度区间的冻土比热，在此基础上，通过对两个相邻温度区间的比热求平均值并与两个相邻温度区间分界点的真比热相加的方法，获取两个相邻温度区间分界点的冻土的等效比热。本发明专利技术的效果是提供了能够将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，提供的方法考虑了冻土等效比热与平均比热、真比热的不同。通过实测和计算表明，该计算方法的预测精度较传统方法提升了84.7％。精度的提高能够最大限度的将冻土相变潜热转换为等效比热，为冻土温度场的计算提供便利。

A Calculating Method for Converting Latent Heat of Phase Change of Frozen Soil into Equivalent Specific Heat

The present invention provides a method for calculating the transformation latent heat of frozen soil into equivalent specific heat. The method includes calculating the transformation latent heat of frozen soil in two adjacent temperature intervals and calculating the specific heat of frozen soil in two adjacent temperature intervals. On this basis, the average specific heat of two adjacent temperature intervals is calculated and compared with two phases. The equivalent specific heat of frozen soil at the boundary points of two adjacent temperature intervals is obtained by adding the true specific heat at the boundary points of the adjacent temperature intervals. The effect of the present invention is to provide a method for calculating the transformation latent heat of frozen soil into equivalent specific heat, which takes into account the difference between the equivalent specific heat of frozen soil and the average specific heat and the true specific heat. The actual measurement and calculation show that the prediction accuracy of this method is 84.7% higher than that of the traditional method. The improvement of precision can transform the latent heat of frozen soil phase transformation into equivalent specific heat to the greatest extent, which facilitates the calculation of frozen soil temperature field.

【技术实现步骤摘要】
一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法
本专利技术属于冻土领域的比热计算领域，特别是一种考虑相变潜热的冻土等效比热计算方法，可用于将冻土的相变潜热转换为土体的等效比热。
技术介绍
冻土的相变潜热，是指土中的液相水与固相冰相态转换过程中释放或吸收的热量。某温度下所对应的物质比热值即为真比热。工程上常采用某温度内比热的平均值作为物体比热，即为物体的平均比热。单位质量的带相变材料经相变过程达到某温度吸收(释放)的热量与温度区间之比，即为等效比热。真比热、平均比热和等效比热统称为比热。冻土比热的测试方法一般分为两种，即直接测试和间接测试。直接测试是将冻土当成一整体物质，进而测试其比热，常见的直接测试方法有混合量热法。间接测试方法是指依据冻土中土骨架、未冻水、冰体和气体的含量和各相的比热值，按照加权计算方法确定冻土的比热。直接法测试冻土比热的过程中，冻土试样在量热器中融化，导致冻土中土颗粒、冰体、未冻水和气体的升温，同时也导致冻土中的部分冰体融化。由于冻土中土颗粒、冰、未冻水和气的比热容不同，升高至同一温度过程中存在外热源与冻土中各相的热传导，以及冻土中各相间的热传导。H2O(水或冰)是晶体材料，其在相变过程中吸收热量而温度不产生变化，依据温度改变所吸收的总热量无法剔除相变热对测试结果的影响，也无法获取某温度点的冻土比热。因此，直接法仅可直观得到材料的平均比热。由加权计算原理可知，依据某温度下各相的比热和各相含量间接确定的为材料真比热。可见直接法和间接法均无法直接获取冻土的等效比热。然而，在冻土地基、冻土区水合物沉积物的温度场计算中常常需要将潜热转换为等效比热，以满足通用温度场计算软件对热参数的要求，提升温度场计算效率。因而，迫切需要提供一种能够将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，该方法对于冻土温度场的精确计算具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术目是提供一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，以利于冻土等效比热的计算。为实现上述目的，本专利技术提出一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，该方法包括以下步骤：1)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热Qj～k、Qk～i用式(1)和式(2)表示出来，式(1)和式(2)为：式中，Qj～k、Qk～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热，kJ/kg；L为水凝结成冰释放的热量，取333.51kJ/kg；ρd为土样的干密度，kg/m3；Wuj、Wuk、Wui分别为温度Tj、Tk、Ti时的冻土未冻水含量，％；ρ为土样的密度，kg/m3。2)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热用式(3)和式(4)表示出来，式(3)和式(4)为：式中，Cj'～k、C'k～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热，kJ/(kg·℃)；L为水凝结成冰释放的热量，取333.51kJ/kg；ρd为土样的干密度，kg/m3；Wuj、Wuk分别为温度Tj、Tk时刻的冻土未冻水含量，％；ρ为土样的密度，kg/m3；Tj、Tk、Ti分别为冻土的温度，℃。3)则Tk℃的冻土比热可由公式(5)计算出来，公式(5)为：式中，C'k为Tk℃的冻土等效比热，kJ/(kg·℃)；Ck为Tk℃的冻土真比热，kJ/(kg·℃)；Cj'～k、C'k～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热，kJ/(kg·℃)。依据该方法可将冻土的真比热转化为冻土的等效比热，为冻土温度场的计算奠定基础。本专利技术的效果是提供了能够将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，提供的方法考虑了冻土等效比热与平均比热、真比热的不同。通过实测和计算表明，该计算方法的预测精度较传统方法提升了84.7％。精度的提高能够最大限度的将冻土相变潜热转换为等效比热，为冻土温度场的计算提供便利。具体实施方式对本专利技术的一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法加以说明。本专利技术的一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法原理：通过求取两个相邻温度区间的冻土相变潜热，从而计算获取两个相邻温度区间的冻土比热，在此基础上，通过对两个相邻温度区间的比热求平均值并与两个相邻温度区间分界点的真比热相加的方法，获取两个相邻温度区间分界点的冻土的等效比热。本专利技术提出一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，该方法包括以下步骤：1)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热Qj～k、Qk～i用式(6)和式(7)表示出来，式(6)和式(7)为：式中，Qj～k、Qk～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热，kJ/kg；L为水凝结成冰释放的热量，取333.51kJ/kg；ρd为土样的干密度，kg/m3；Wuj、Wuk、Wui分别为温度Tj、Tk、Ti时的冻土未冻水含量，％；ρ为土样的密度，kg/m3。2)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热用式(8)和式(9)表示出来，式(8)和式(9)为：式中，Cj'～k、C'k～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热，kJ/(kg·℃)；L为水凝结成冰释放的热量，取333.51kJ/kg；ρd为土样的干密度，kg/m3；Wuj、Wuk分别为温度Tj、Tk时刻的冻土未冻水含量，％；ρ为土样的密度，kg/m3；Tj、Tk、Ti分别为冻土的温度，℃。3)则Tk℃的冻土比热可由公式(10)计算出来，公式(10)为：式中，C'k为Tk℃的冻土等效比热，kJ/(kg·℃)；Ck为Tk℃的冻土真比热，kJ/(kg·℃)；Cj'～k、C'k～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热，kJ/(kg·℃)。依据该方法可将冻土的真比热转化为冻土的等效比热，为冻土温度场的计算奠定基础。实施例通过试验确定干密度为1.8g/cm3，含水量为15.8％，ds为2.72的粉质粘土试样在-1℃、-2℃、-3℃的未冻水含量，通过混合量热试验确定所述干密度为1.8g/cm3，ds为2.72的粉质粘土试样中的土颗粒的比热和含量，以及土中各相的质量含量。依据加权平均法获取冻土真比热Ck为1.338kJ/kg·℃，即为传统方法计算值。利用提出的一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，计算见表1所示。计算获取了-2℃摄氏度下的冻土比热C'k为2.094kJ/kg·℃。表1某冻土相变潜热转换为等效比热的计算项WU1.5WU2WU2.5Q1.5～2Q2～2.5C’1.5～2C’2～2.5CkC’k单位％％％kJ/kgkJ/kgkJ/(kg·℃)kJ/(kg·℃)kJ/(kg·℃)kJ/(kg·℃)数值9.6919.6909.6880.2630.7010.5261.4021.1382.102经对比传统方法的计算值Ck和本专利技术的一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法的计算值C'k，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，该方法包括以下步骤：1)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热Qj～k、Qk～i用式(1)和式(2)表示出来，式(1)和式(2)为：

【技术特征摘要】
1.一种将冻土相变潜热转换为等效比热的计算方法，该方法包括以下步骤：1)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热Qj～k、Qk～i用式(1)和式(2)表示出来，式(1)和式(2)为：式中，Qj～k、Qk～i分别为冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热，单位为kJ/kg；L为水凝结成冰释放的热量，单位为kJ/kg；ρd为土样的干密度，单位为kg/m3；Wuj、Wuk、Wui分别为温度Tj、Tk、Ti时的冻土未冻水％含量；ρ为土样的密度，单位为kg/m3。2)分别将冻土在[Tj℃～Tk℃]、[Tk℃～Ti℃](0≥Tj＞Tk＞Ti)的潜热转化成的土体比热用式(3)和式(4)表示出来，式(3)和式(4)为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈之祥，李顺群，王杏杏，张翻，夏锦红，高凌霞，潘林，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津,12