液氮冻结温度场的数值分析与应用优化

液氮冻结是一种在地下空间工程中广泛应用的技术，特别是在盾构进洞过程中，为了控制地层温度，防止土体破碎和保护隧道结构，液氮作为一种低温媒介被广泛采用。本文标题"液氮冻结帷幕水热耦合温度场数值分析及应用（2013年）"深入探讨了这一技术的关键问题——液氮冻结温度场的特性。 该研究首先定义了液氮冻结温度场作为一个包含相变（液氮从气态转变为固态）和水分迁移的瞬态热传导问题。作者利用水热耦合理论构建了一个数学模型，通过数值模拟方法对这一过程进行了详细的分析。研究发现，随着液氮冷却的时间推移，冻结帷幕的厚度和平均温度呈现出对数规律的增长，这表明温度场的发展并非线性，而是呈现出明显的非稳态特征。 接下来，作者着重研究了冻结管组内部的不同连接方式对冷冻效果的影响。实验结果显示，三管串联连接方式形成的冻结帷幕厚度最不均匀，且平均温度相对较高，可能是因为热量传输效率较低。相反，单管供回液连接方式表现出最好的冻结效果，因为这种设计可以更有效地控制和分布温度。然而，在经济效益和整体冻结效果的权衡下，双管串联冻结方式由于在保持冷冻效果的同时降低了能耗，被推荐为优先选择。 这项工作的重要贡献在于它不仅深化了对盾构进洞液氮冻结温度场的理解，还为实际工程提供了实用的工艺改进策略。通过优化冻结管的连接方式，可以提高施工效率，降低能耗，从而对整个盾构施工过程的安全性和经济性产生积极影响。此外，研究成果对于地下空间工程的设计者和实践者来说，提供了宝贵的理论依据和技术指导，有助于推动该领域技术的进一步发展。