CC BY
33Таблица 2
Сравнительные характеристики клея-герметика П-8/Л и герметика 51-Г-23
Наименование показателя П-8/Л 51-Г-23
Жизнеспособность, не менее, ч 1,0 0,4
Режим отверждения при температуре (25±10) оС, сут., не 3,0 3,0
менее
Ускоренный режим отверждения, ч (25 ± 10) оС >2 ч, (60 ± 5) оС > 8 ч. (25 ± 10) оС >2 ч, (55 ± 5) оС > 24 ч.
Прочность при сдвиге, МПа, соединений из алюминиевого сплава АМГ-6 (без подслоя), не менее 1,75 1,30
Предел прочности при разрыве, МПа, не менее 2,20 2,10
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее 260 135
Удельное объемное электрическое сопротивление при 20 °С, Ом-см, не менее 1,0 ■ 1013 2,6 ■ 1013
Параметры газовыделения, % - ПМР (общая потеря массы без воды) - ЛКВ (легкоконденсирующиеся вещества) 0,44 0,04 < 1,0 < 0,1
Плотность, кг/м3 1,0 0,98
Цвет Белый Бело-бежевый
Технологичность Пастообразный тиксотроп- Густой пастообразный мате-
ныи материал, легко нано- риал, с усилием наносится на
сится на поверхности. поверхности.
Проведено опробование герметика Г-3/Л и клея-герметика П-8/Л на сборочных единицах:
- соединениях, имитирующих корпуса, панели, крышки изделий, оправы ОЭП, из сплава АМг-6 и сплава пермаллой с нанесенными на них гальваническими покрытиями (Ан.Окс.черный; Ан.Окс.нв; Хим.Окс.; Н.Нч);
- плате из стеклотекстолита, с прикрепленными на герметики ЭРИ (конденсаторы, резисторы и т. д.),
ЭРИ, «зачехленные» в трубки «Витур», и провода типа МС 16-13.
На технологию приготовления и применения гер-метиков разработаны технологические инструкции, герметики будут введены в отраслевой стандарт ОСТы 92-1006-2013 (ч. 2), изм. 1.
© Троицкая О. Л., Гладких С. Н., Башарина Е. Н., 2014
УДК 551.340: 624.139
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ МЕТОДОМ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ОБЪЕМОВ
В. В. Улитин1, В. В. Ананьев2, Г. П. Шамин3
1 Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
Российская Федерация, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. E-mail: victor.vas.ulitin@gmail.com
2ООО НПП «Медгаз»
Российская Федерация, 121471, г. Москва, ул. Можайское шоссе, 29. E-mail: vvanord@yandex.ru
3ООО «Ривсмаш»
Российская Федерация, 129626, г. Москва, просп. Мира, 102, стр. 2. E-mail: rivsmash@mail.ru
Рассматриваются теплофизические процессы в мерзлых грунтах при естественных и техногенных воздействиях и условия, приводящие к деградации мерзлоты, а также возможные последствия. Для моделирования этих процессов используется метод элементарных объемов. Рассматривается ряд устройств для термоста-билизазии мерзлоты и приводятся результаты моделирования их работы.
Ключевые слова: сезонные охлаждающие устройства, вечная мерзлота, фазовый переход, климат, моделирование, численный метод.
MODELING THE THERMOPHYSICAL PROCESSES IN FROZEN SOIL BY THE ELEMENTARY VOLUME METHOD
V. V. Ulitin1, V. V. Anan'ev2, G. P. Shamin3
1 St.-Petersburg national research university of information technologies, mechanics and optics 9, Lomonosov str., Saint-Petersburg, 191002, Russian Federation. E-mail: victor.vas.ulitin@gmail.com
2LLC SPE "Medgas"
29, Mozhaiskoye shosse, Moscow, 121471, Russian Federation. E-mail: vvanord@yandex.ru
3LLC "Rivsmash"
102, Mira prosp., Moscow, 129626, Russian Federation. E-mail: rivsmash@mail.ru
The thermal processes in frozen soil with natural and anthropogenic influences and conditions that lead to the degradation of permafrost, and the possible consequences are considered. To model these processes the basic volumes are used. A number of devices for permafrost heat setting is described and the results ofpermafrost simulation and the device operation is presented.
Keywords: The seasonal cooling device, permafrost, phase transition, climate, modeling, numerical method.
Актуальность проблемы определяется интенсивным освоением районов Крайнего Севера. Поверхностные слои мерзлых грунтов находятся в состоянии неустойчивого динамического равновесия. Для прогнозирования поведения мерзлоты необходимы надежные методы моделирования процессов, происходящих в ней [1-3].
Возможность моделирования геокриологических процессов предоставляет метод элементарных объёмов (МЭО) - универсальный шаговый метод решения нестационарных физически нелинейных задач [4]. Метод состоит в том, что рассматриваемая часть пространства разбивается на малые части (ячейки), а время на малые промежутки. При решении задачи теплопроводности с фазовыми переходами состояние ячейки характеризуется параметром 6 : 6 = 0 - ячейка не заморожена, 6 = 1 - ячейка заморожена полностью. Теплофизические характеристики ячейки зависят от величины температуры и параметра 6 . На каждом шаге определяются приращения температуры и параметра 6 . В результате решения для каждого значения времени получаются поля распределения температуры и параметра 6 , что позволяет определить зоны замороженного и незамороженного грунта. По способу дискретизации области метод элементарных объёмов подобен методу конечных элементов (МКЭ) и может применяться вместе с ним при совместном решении задач теплопроводности и задач механики. Параметр 6 зависит от температуры (рис. 1).
Рис. 1. Неизотермический фазовый переход
Неизотермический фазовый переход происходит в диапазоне
= - ^. (1)
Температуры начала и конца фазового перехода
грЬ < (р( < о °с. (2)
Для того чтобы определялись все параметры, обусловливающие свойства континуальной системы, возьмем за основу модель грунта [3]. Будем считать, что общие характеристики р - плотность, Ж - влажность и - температура в естественном или в начальном состоянии постоянны. Теплофизические характеристики: теплопроводность мерзлого и талого грунта XМ и ХТ и теплоемкость мерзлого и талого
грунта сМ и сТ зависят от температуры. При решении
задачи методом элементарных объемов на каждом шаге к в каждой ячейке с номером i теплопроводность и теплоемкость зависят от параметра 6 :
=6 Хм +(1 -6)ХТ . (3)
сКг =6см +(1 -6)ст . (4)
В результате решения такой задачи получается поле распределения температуры и льдистости [6]:
^ = 1.09 Жрг 6 (г). (5)
В этом выражении Жрг - изменение влажности
грунта в процессе фазового перехода с учетом незамерзающей воды в рассматриваемом диапазоне температур.
Для того чтобы сохранить естественное состояние мерзлых грунтов, применяются различные охладители и термостабилизаторы. Во всех случаях описание и моделирование теплофизических процессов включает в себя две составляющие: внутренний процесс в самом устройстве и теплообмен с массивом окружающего грунта [4]. При термостабилизации грунтов расчетная схема сводится к осесимметричной задаче вокруг вертикальной оси.
На поверхности грунта задаются смешанные граничные условия: конвекция от атмосферного воздуха и тепловой поток от солнечной радиации. В зимнее время коэффициент теплопередачи от воздуха к грунту принимается с учетом снегового покрова.
В качестве примера рассмотрим замораживание грунта при следующих условиях: внутренний диаметр трубы - 50 мм, толщина стенки - 3 мм, теплопроводность - 40 Вт/(м, К), температура теплоносителя (хлористый кальций) - минус 35 °С, коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы - 1000 Вт/(м2, К). Грунт - песок с влажностью 20 %. Через месяц такого процесса (730 часов) температура на поверхности трубы достигает минус 25 °С, а радиус замороженной зоны - около 3 м (рис. 2).
Рис. 2. Температурное поле через месяц замораживания грунта
Парожидкостные сезонные охлаждающие устройства (СОУ) нашли широкое применение в термостабилизации грунтов [5-8]. СОУ представляет собой вертикальную трубу постоянного диаметра с конденсатором на верхнем конце (рис. 3).
А
2.5
д
Рис. 3. СОУ с присоединенным массивом грунта
В конструкции СОУ можно выделить следующие части:
1) конденсатор (точка А на рис. 4);
2) транспортный участок трубы АБ над грунтом;
3) участок трубы БВ - охладитель/испаритель;
4) нижний участок. Возможны два режима: а) вся пленка испаряется выше и не доходит - теплообмена нет и б) конденсат заполняет всё сечение трубы.
Нами разработана термомеханическая модель па-рожидкостного вертикального СОУ.
В качестве примера рассмотрим моделирование работы СОУ совместно с прилегающим массивом грунта (рис. 5). Внутренний диаметр трубы - 50 мм, толщина стенки - 3,5 мм. Хладагент - Я717. Предположим, что СОУ смонтировано летом и начинает замораживать грунт с наступлением зимы. Средняя температура воздуха в зимний период минус 20 °С и толщина снегового покрова 0,4 м. Грунт - песок с влажностью 8 %. Начальная температура 2.0 °С, температура замерзания - минус 0.5 °С. Решается осе-симметричная задача. Область БВГДЕ разбивается на элементарные объёмы с размерами по глубине и в радиальном направлении = ёг = 0.05 м.
Общее число элементарных объёмов 20000. На линии БВ граничные условия теплопередачи определяются алгоритмом взаимодействия пленки с грунтом. На линиях ВГ, ГД и ДЕ теплообмен отсутствует. На линии БЕ задаются граничные условия третьего рода, описывающие теплообмен с атмосферным воздухом с учетом снегового покрова.
В зимний период происходит естественное замораживание грунта с поверхности и вследствие охлаждения от трубы СОУ. Температурное поле через два месяца (рис. 4) в отличие от предыдущего примера (рис. 3) имеет конический характер.
В данном примере средний тепловой поток на 1,0 м трубы СОУ - около 20 Вт/м.
Рис. 4. Температурное поле при работе СОУ
Мерзлота обладает рядом удивительных свойств и в зависимости от конкретных условий может играть как положительную, так и отрицательную роль [1-3]. Для того чтобы успешно работать в криолитозоне,
необходимо тщательное изучение свойств мерзлых грунтов и моделирование их поведения на всех возможных этапах строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Надежным аппаратом для моделирования является метод элементарных объемов, учитывающий реальные свойства грунтов и любые протекающие в них физические процессы.
Библиографические ссылки
1. Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых пород: прогноз на основе синтеза наблюдений и моделирования. Оценочный расчет / Гос. гидрологический ин-т. СПб. : ГГИ, 2010. 44 с.
2. Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов. М. : Высш. шк., 1973. 448 с.
3. Чеверев В. Г. Природа криогенных свойств грунтов. М. : Научный мир, 2004. 234 с.
4. Улитин В. В. Метод элементарных объемов при решении нелинейных задач теплопроводности и геокриологии : монография. СПб. : ПаркКом, 2013. 170 с.
5. Абросимов А., Залетаев С, Охладители грунтов. Конструкции и методы расчета.РиЬИБЬег: Palmarium Academic Publishing is a trademark of: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. Germany. 318 р.
6. Ананьев В. В., Улитин В. В. Моделирование термостабилизации грунтов с помощью сезонных замораживающих устройств // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Теория и методы замораживания грунтов : материалы XI конф. / под ред. д-ра техн. наук, проф. В. В. Улитина. СПб. : СПбГУНиПТ, 2008. С. 48-53.
7. Кондратьев В. Г. Применение криогенных тхнологий - наиболее эффективный метод решения технологических проблем железных и автомобильных дорог в криолитозоне // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Теория и методы замораживания грунтов : материалы XII конф. / под ред. д-ра техн. наук, проф. В. В. Улитина. СПб. : СПбГУНиПТ, 2010. С. 6-12.
8. Вялов С. С. Искусственное охлаждение грунтов с помощью термосвай. М. : Наука, 1979. 160 с.
References
1. The main natural and socio-economic impacts of climate change in the areas of distribution of permafrost breeds: forecast based on the synthesis of observations and modeling // Assessment calculation. State Hydrological Institute. St.-Petersburg: SGI, 2010, 44 p.
2. Cytovic N. A. Manual frozen ground. M. : High school, 1973, 448 p.
3. Ceverev V. G. Nature cryogenic properties of soils. М. : The scientific world, 2004, 234 p.
4. Ulitin V. V. Elementary Method of nonlinear problems of heat conduction and geocryology: monograph. St.-Petersburg : Park com, 2013, 170 p.
5. Abrosimov A., Zaletaev S. With cooler soil. The design and calculation methods.Publisher: Palmarium Academic Publishing is a trademark of: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. Germany, 318 р.
6. Anan'ev V. V., Ulitin V. V. Using soil temperature Simulation of seasonal freezing devices. Actual problems of mechanics, strength and heat conductivity at low temperatures // Theory and methods of freezing soils: proceedings of the 11th Conference / ed. by doctor of technical sciences, Professor V. V. Ulitina. St.-Petersburg : SPbGUNiPT, 2008, p. 48-53.
7. Kondratiev V. G. Application of cryogenic technologies are the most effective method for solving technological problems of railways and roads in kriolitozone. Actual problems of mechanics, strength and heat conductivity at low temperatures. Theory and methods of freezing soils: proceedings of the Xll-th Conference edited by doctor of technical sciences, Professor V. V. Ulitina. St. Petersburg: SPbGUNiPT 2010, pp. 6-12.
8. Vyalov S. S. Refrigeration soils by using termosvaj. Moscow : Nauka, 1979, 160 p.
© Улитин В. В., Ананьев В. В., Шамин Г. П., 2014
УДК 681.58
МНОГОКАНАЛЬНАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОБЕЗВЕШИВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ СИСТЕМ
А. В. Шевляков1, В. А. Куклин2, В. В. Холодов2
1Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН Российская Федерация, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41. E-mail: chugui@tdisie.nsc.ru
2ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
При проведении наземных испытаний крупногабаритных трансформируемых систем одним из важнейших условий является обезвешивание конструкции (компенсация весовой составляющей) с целью предотвращения ее деформации или разрушения под действием силы земного тяготения.
В 2014 году в КТИ НП СО РАН разработана многоканальная система обезвешивания крупногабаритных трансформируемых систем. В настоящее время на базе ОАО «ИСС» проводятся ее испытания.
Целью создания системы является расширение диапазона возможных свободных перемещений обезвеши-ваемого элемента конструкции в горизонтальной плоскости и по вертикали, уменьшение величины присоединенных масс, а также упрощение работы следящей системы.
