液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究

黄建华; 严耿明; 覃少杰

doi:10.16285/j.rsm.2021.1909

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液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究

数值分析 | 更新时间：2026-06-25

- 液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究
- Heat transfer mechanism and convective heat transfer coefficient in freezing pipes for freezing reinforcement using liquid nitrogen
- 岩土力学 2022年43卷第9期页码：2624-2633
- 作者机构：
  
  1. 福建工程学院土木工程学院,福建,福州,350118
  2. 福建工程学院地下工程福建省高校重点实验室,福建,福州,350118
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金（No.51678153）
- DOI：10.16285/j.rsm.2021.1909
  中图分类号： TU472.9
- 网络首发：2022-09-12，
  
  纸质出版：2022
- 稿件说明：
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黄建华, 严耿明, 覃少杰. 液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究[J]. 岩土力学, 2022,43(9):2624-2633.

HUANG Jian-hua, YAN Geng-ming, QIN Shao-jie. Heat transfer mechanism and convective heat transfer coefficient in freezing pipes for freezing reinforcement using liquid nitrogen[J]. 2022, 43(9): 2624-2633.
黄建华, 严耿明, 覃少杰. 液氮冻结加固冻结管内换热机制及对流换热系数研究[J]. 岩土力学, 2022,43(9):2624-2633. DOI： 10.16285/j.rsm.2021.1909.

HUANG Jian-hua, YAN Geng-ming, QIN Shao-jie. Heat transfer mechanism and convective heat transfer coefficient in freezing pipes for freezing reinforcement using liquid nitrogen[J]. 2022, 43(9): 2624-2633. DOI： 10.16285/j.rsm.2021.1909.

摘要

液氮冻结加固是通过液氮在冻结管内沸腾吸热和对流换热来降低环境土层温度，快速冻结土层中水分形成具有支护效果的冻结帷幕。但相较于传统的盐水冻结技术，液氮冻结温度极低，温度场分布不均匀，影响冻结效果的因素更多，对液氮冻结过程热交换的研究较少。依据对流换热理论，分析了管内冻结能量交换过程，计算了液氮吸热的对流换热系数，模拟了液氮冻结温度场特征，并结合现场实测数据对液氮对流换热系数进行反传热分析，降低了对流换热系数计算误差。研究结果表明：液氮吸收热量的方式主要是液氮沸腾吸热以及低温氮气对流换热；以对流换热理论及其换热系数为基础的液氮冻结温度场模拟需要考虑换热系数随冻结时间和冻结深度变化，常量换热系数无法精确反映对流换热全过程，将导致积极冻结期与维护冻结期内温度下降趋势与实测情况、模拟温度与实测温度均产生差异，计算的温度场整体温度偏低；将冻结时间划分为 16个时间段，冻结空间划分为 4个区域，对换热系数进行非均匀性修正，使换热系数成为随冻结时间与空间变化的变量，不仅符合实际而且减小了误差，更契合工程实测数据。研究成果可为类似液氮冻结工程提供理论依据和技术参考。

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