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工程14(2022)169研究土木工程-文章青藏高原高速公路路基近地面风场观测穆彦虎a,b,马伟a,b,赵辉(Joey)杨c,李晓琳d,张坤e,毛云成ea中国科学院西北生态环境与资源研究所冻土工程国家重点实验室,兰州730000b中国科学院大学,北京100049c阿拉斯加大学安克雷奇工程学院,安克雷奇,AK 99508,美国d嘉兴学院土木建筑工程学院,浙江嘉兴314001e西北民族大学土木工程学院,兰州730024阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2021年2021年10月5日修订2021年10月17日接受2022年1月25日在线提供保留字:近地面气流场观测风冷结构青藏高原线性交通基础设施A B S T R A C T碎石层(CRL)、通风管道(VD)和热虹吸管是广泛用于保持多年冻土环境中工程基础设施长期稳定性的空气冷却结构在气候变暖的情况下,这些活性炭通过在寒冷季节促进与环境空气的热交换,可以有效地冷却和维持多年冻土路基由于对流是这些ACS的关键工作机制,因此必须了解穿过建筑基础设施(如堤坝)的近地表风流本文介绍了青藏高原首次进行的一条高速公路试验路堤上的若虫的野外观测沿垂直于路堤的迎风面和背风面的断面,在离地面4个不同的高度收集和分析风速和风向。结果表明,路堤对若虫的速度有相当大的影响,在距离高达10倍的高度,并在背风侧的方向。幂律可以很好地描述若虫穿过路堤的速度剖面,幂律指数(PLI)在0.14到0.40之间变化在年度基础上,远离路堤的拟合NAPPLI为 0.19,这与QTP上ACS先前热性能评估中广泛使用的值有很大差异最后,讨论了线性交通基础设施中的Necrosis对ACS,特别是CRL和VD的热性能的重要性结果表明,低估PLI和忽略风向变化可能会导致不保守的设计ACS。研究结果可为青藏高原及类似多年冻土区的基础设施建设提供有价值的指导©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版,高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)中找到。1. 介绍四分之一的北半球和17%的地球这些广阔的永久冻土区由于其丰富的自然资源在世界经济中发挥着重要作用,包括估计占世界未发现的石油和天然气储量的25%近几十年来,经济发展导致了碳氢化合物开采、运输网络、通信线路、工业项目、民用设施和*通讯作者。电子邮件地址:mawei@lzb.ac.cn(W. Ma),zyang2@alaska.edu(Z.(J.)Yang)。多年冻土区的工程维护系统[4].然而,持续的气候变暖和随之而来的永久冻土退化严重破坏了数千个基础设施组件,并导致重大经济损失[5最新评估表明,到2050年,北半球永久冻土区33%的基础设施因此,如何在多年冻土退化的基础上经济地维护现有基础设施,科学地建设未来基础设施,是一个巨大的工程挑战。多年冻土区的热状况是控制多年冻土地基与周围环境热交换的关键https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.10.0202095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engY. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169170确定地基承载力和变形特性的变量[12施工活动通过改变地面与大气之间的能量交换,影响自然地表对于多年冻土道路养护,这种影响可能是实质性的,因为在路堤施工和运营期间,材料性质、表面覆盖、高孔隙率碎石层(CRL)、通风管道(VD)和热虹吸管已被证明是有效的空气冷却结构(ACS),可用于保持各种工程基础设施下永久冻土路基的长期热稳定性[15]。通过促进在寒冷季节与环境空气的热交换,这些ACS可以冷却和维护永久冻土地基,以保护工程基础设施免受气候变暖期间永久冻土变暖和融化引起的破坏。在寒冷季节,CRL和VD可以在风压和温差的驱动下增强自然通风由于对流是一种更有效的传热机制,因此下层永久冻土中的热量可以更快地传递到周围环境中[15热虹吸管是一种热交换器,可以通过工作流体的蒸发和冷凝将热源有效地转移到散热器[19]。由于其优越的传热能力,热虹吸管已被广泛用于各种工程系统的热管理[20当用于永久冻土冷却时,热虹吸管通常在冬季起作用,并将热量从埋在永久冻土中的蒸发部分传递到暴露在空气中的冷凝部分[20,22,25]。 在过去的几十年中,这三种类型的ACS已被广泛用于加拿大北部、阿拉斯加、西伯利亚和青藏高原(QTP)的道路装饰、机场跑道、石油和天然气管道系统、建筑物和输电线路[12,13,28 -30](图1)。①的人。近地面风场是控制大气环流的一个重要因素当用于线性运输基础设施时,这些ACS的热性能对流的速度和方向不仅决定了CRL内的热对流类型,即风驱动的对流或浮力驱动的对流,[2019 - 03 - 16][2019 - 03 - 16][2019- 03 - 16][2019 - 03][2019 - 03Wu等人[33]通过在实验铁路段内进行分布式温度测量,研究了CRL装置的冷却机制。结果表明,在寒冷季节,当环境风速较大时,CRL内发生风驱动对流,而当环境风速较小时,CRL内发生弱浮力驱动对流。他们得出结论,CRL的冷却机制和性能受环境风速和风向的控制。对于用于道路和铁路路堤的VD,在路堤内具有给定的直径和埋置高度,管道内的气流速度与环境风速和风向密切相关【17,35,36】。对于用于永久冻土地基冷却的热虹吸管而言,“仙女”也是一个关键的运行条件[37,38]。在空气-热虹吸管-土壤耦合传热系统中然而,迄今为止,在配备有ACS的工程基础设施上的NSWF的现场观察数据非常缺乏。因此,通常根据主导风向和平均风速或季节性变化风速来假设评估带ACS的基础设施长期热性能所需的风流特征【22,25,30,35这些假设可能导致对ACS热交换效率的高估或低估,从而导致对多年冻土路基长期热状况的预测不可靠本文介绍了对青藏高原北麓河流域某高速公路试验路堤上的若虫进行的系统观测。在堤防两侧共建立了六个气象塔,以收集Ningbo数据,包括四个级别(0.5,1.5,3.0和4.0)的风速4.5 m)高于地面和风向。在这些观测点和作为参考的邻近气象站进行了整整一年的数据收集。通过对南京市江堤上若虫的调查,分析了若虫在江堤上的分布特征和季节变化规律。Fig. 1.在QTP的各种工程基础设施中单独或联合使用ACS:(a)CRL,(b)CRL和VD,以及(c)用于铁路通风的热虹吸管;(d)CRL,(e)CRL和VD,以及(f)用于道路通风的热虹吸管;以及(g)输电线路基础中的热虹吸管(h)铁路桥梁;及(i)建筑物。建筑物的基础也被抬高到地面之上,以促进自然通风。Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169171----··现场观测数据根据实测结果,讨论了风向和风速廓线对空调系统热性能的影响。本研究2. 现场和方法2.1. 田间研究中心如图所示,野外现场(92°550 36 00 E,34°490 21 00 N)位于QTP内部的北麓河盆地。 2(a). 在海拔4618米的地方,地形略有倾斜,70%该场地的永久冻土主要是连续的,10-15米深处的年平均地温0.5至1.0 °C。活动层厚度(最大季节性融化深度)从2到3米不等。根据钻孔勘探数据,在永久冻土表的正下方会遇到富含冰的永久冻土层。气象站位于距现场东北方向约2公里处。本站资料显示,2003 - 2015年,年平均气温2.8 - 4.1 °C,年平均降水量230 - 460 mm,2018年7月1日至6月30日收集了气温、风速、地面2米处风向等资料,2019年(以下简称研究期),在本站提供本研究参考。2.2. 高速公路试验路堤青藏铁路近平行于青藏铁路修建了沥青路面试验路堤,在2009年8月,我们在现场(参见图2(b))收集了在温暖的永久冻土环境中建造高速公路的数据,QTP。路堤中包括各种ACS,以研究其冷却下层永久冻土的长期性能。试验路堤总长300 m,方位角197°,高3 m,顶宽13 m,边坡比1:1.5。路堤平均分为10段,每段长30米。其中,单个ACS或ACS组合(包括CRL、VD、热虹吸管和空心混凝土砖层)安装在9个区段中,没有任何冷却结构的区段用作参考[44]。2.3. 测量Numbers在参考断面两侧沿垂直于路堤路线的横断面建立了6个气象塔,如图3所示。在每一侧,三个塔与路堤坡脚之间的距离分别为0.5、30和60m,如图3(a)所示,右侧(从格尔木到中国拉萨)的三个塔分别标记为TR-0.5、TR-30和TR-60,左侧分别标记与路堤坡脚相邻的两座塔(即,TR-0.5和TL-0.5)高4.5米,其余四个(即,TR-30、TR-60、TL-30和TL-60)高3.0 m。场地相对平坦,六座塔楼位置的高程差异可以忽略不计。考虑到研究区域的主导风向和路堤路线,TR-60、TR-30和TR-0.5被认为是在迎风侧,而TL- 60,TL-30,和TL-0.5是在背风侧。采用010C型风速传感器和020C型风向传感器分别测量了6座塔的风速和风向。所有传感器均由Met One Instruments,Inc.制造和校准。(美国)。010C风速传感器采用轻型三杯风速计测量水平风速。该传感器的校准工作范围为0-50 m s-1,分辨率为0.1 m s-1,精度为± 1%。在3.0米高的塔上,三个风速传感器分别安装在离地面0.5、1.5和3.0米的高度(图1)。4(a))。图二、(a)现场位置;(b)实验高速公路路堤鸟瞰图铁路与试验高速公路之间的距离Mt.:山脉Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169172··--·--··-图3.第三章。(a)横跨堤坝的六个气象塔位置示意图及(b)背风面和(c)迎风面。见图4。风速和风向传感器安装在(a)3.0米高和(b)4.5米高的塔上。在路堤趾部附近的4.5米高的塔上,在0.5、1.5、3.0和4.5米的高度处安装了四个风速传感器(图4(b))。在每座风塔上,分辨率为0.1°、精度为±3°的020 C风向传感器与最高风速传感器配对,通过耦合轻质翼型叶片和单精度电位计提供方位数据(0°注意,这样的传感器在图1中的水平梁的右端可见。 4(b). 在路堤的每一侧,所有传感器都连接到由Campbell Scientific Inc.制造和校准的CR3000数据记录器(USA)在整个研究期间以10分钟的间隔自动收集、计算和存储数据3. 结果和分析3.1. 研究区自然风场特征3.1.1. 风向图图5(a)显示研究期间在气象站测得的风频玫瑰图。在研究区,西风(W)、西南偏西(WSW)和西北偏西(WNW)是主导风向,它们出现的频率很高在研究期间,CIE分别占18.5%、14.9%和13.0%。其他方向的频率相对较低,在0.9%~ 8.5%之间。冷、暖海子的风向特征有显著差异.根据月平均气温确定了冷季和暖季。在寒冷的季节,即本研究中的10月至次年4月,风向的组成很简单(图5(b))。W、WSW和WNW三个主导风向的频率均在18.5%以上,合计为65.5%。在这三个方向上,西南风占11.5%,其他方向均小于4.3%。然而,在5月至9月的温暖季节,风向较为分散(图5(c))。峰值出现频率小于12.4%,偏东(E)、东北偏东(ENE)其他风向的出现频率在1.6%~ 8.1%之间,合计占55.4%。3.1.2. 风速和气温如上所述,风速、气温及其季节变化对ACS内的传热过程和对下伏冻土路基的冷却效果至关重要。图图6显示研究期间气象站测得的风速和气温变化。在此期间,风速从0到18 m s-1不等,年平均值为4.4 m s-1。气温范围从26.2至17.5 ℃,年平均值为3.6 ℃。风速和气温都有季节性变化,呈现出相反趋势的正弦曲线。寒冷季节的风力较强,温暖季节的风力较弱,这对于应用ACS(尤其是VD)冷却QTP上的冻土路基至关重要[13,16,17]。两个指数,平均月风速(MMWS)和平均月气温(MMAT),计算并列于表1。从11月到次年3月,MMWS达到或超过4.8 m s-1,最大值为2月份为7.1 m s-1,而MMAT在14.6和9.2 °C。从6月到9月,MMWS下降到3.6 m s-1以下,9月最低为3.1 ms-1,而MMAT范围为3.6 - 7.9 °C。Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169173图五.玫瑰图的自然风频率在研究区域在(a)整个研究期间,(b)冷季,(c)暖季。红色虚线表示路堤路线。见图6。 研究期间风速和气温的变化。表1研究期间风速和气温的月平均值。月MMWS(m·s-1)MMAT(°C)七月3.3 7.93.4 7.5九月3.1 3.610月3.6 - 5.1日11月5.0 - 9.212月5.6 - 13.61月5.5 - 14.62月7.1 - 11.23月4.8 - 9.7日4月4.1 - 2.8日五月4.3 0.2六月3.6 3.63.2. 路堤两侧风向变化3.2.1. 观测塔位于远离堤防图7比较了距离路堤最远的塔(即TR-60和TL-60)的风玫瑰图,在研究期间。请注意,这两座塔的距离是路堤高度的20倍两个地方的风玫瑰非常接近。TR-60的盛行风W、WSW和WNW分别占总风的17.8%、15.2%和14.1%,总和为47.1%。相比之下,TL-60的这三种风分别占总数的18.5%、13.9%和14.6%,合计为47%。此外,图1和图2中的三个玫瑰图之间没有显著差异。5(a)和7,表明路堤的存在在20倍路堤高度的距离处对若虫方向没有有意义的影响。3.2.2. 位于堤岸附近的瞭望塔图图8(a)-(d)显示了在研究期间,位于相对靠近路堤(距离为路堤高度的十倍或更少)的四个塔(即TR-30、TL-30、TR-0.5和TL-0.5)处的风玫瑰图。迎风面的盛行风与TR-60和TL-60的相同。例如,图8(a),风上升对TR-30(10倍路堤高度),三种盛行风分别占18.2%、14.9%和14.5%。相比之下,图8(c)中TR-0.5(靠近路堤趾)的风玫瑰图显示,盛行风分别占总风的17.5%、14.3%和14.1%这些值非常接近TR-60和TL-60处的值,表明路堤迎风面Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169174见图7。 研究期间(a)TR-60(迎风)和(b)TL-60(背风)的风玫瑰图。红色虚线表示路堤路线。见图8。 研究期间(a)TR-30、(b)TL-30、(c)TR-0.5和(d)TL-0.5的风玫瑰图。红色虚线表示路堤路线。然而,在背风侧,风向在TL-30和TL-0.5时都发生了显著变化。图8(b)显示,TL-30的WSW、W和WNW风的频率分别为17.2%、16.8%和11.9%,盛行风从W转换为WSW。与TL-60的风玫瑰(图7(b))相比,WSW风的频率增加了3.3%,而WNW风的频率减少了2.7%。随着观测塔的位置更靠近路堤,对风向的影响加剧。 图8(d)显示,在TL-0.5时,WSW风频率达到18.9%,而WNW风频率下降到11.7%。结果表明,在背风侧路堤高度的10倍范围内,路堤本身可以显著改变Ninges的方向。显然,堤坝阻碍了垂直于其航线的风,并促进了平行于其航线的风。3.3. 路堤风速变化图图9显示了在0.5、1.5和1.5的高度处MMWS的变化。在研究期间,沿六座塔3.0 m各MMWS的季节变化与其数值同步,一般在2月达到最大值,9月降至最小值。然而,路堤明显影响了风速,特别是对于靠近坡脚的两个塔,即TR-0.5和TL-0.5。离地面越近,路堤对若虫速度的影响越大。Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169175··. Σ···而其余的(即,TR-60、TR-30、TL-60和TL-30)仍有显著性。例如,TR-0.5处的MMWS值比其他四个位置处的MMWS值小0.8-当观测高度达到3.0 m时(图9(c)),同一个月所有六个塔的MMWS数据差异在0.7 m s-1以内。值得注意的是,在0.5和1.5 m处,除7月和8月外,TR-0.5处的MMWS值一般大于TL-0.5处的MMWS值由图5(c)可见,暖季的盛行风由西转为东,使迎风面的TL-0.5及背风面的TR-0.5,因此,这两个夏季月份的MMWS值在TL-0.5时较高。然而,在整个研究期间,TL-0.5处3.0 m处的MMWS值略大于TR-0.5处的MMWS值,但始终大于TR-0.5处的MMWS值沿六个塔的地面以上0.5和1.5 m处MMWS的显著差异清楚地说明了堤岸对Nebrile图10比较了研究期间沿TR-0.5和TL-0.5高度为4.5 m的MMWS。在这个高度,两个地点的MMWS值在整个研究期间非常接近。在夏季,MMWS值在两个位置几乎是相同的。相反,在寒冷的季节,在TL-0.5时略高于TR-0.5时这一结果可以用风流经过路堤时的加速来解释。两个地点MMWS差异的季节变化可以归因于研究区域冷季期间更一致的盛行风和暖季期间更分散的风。3.4. 路堤风速剖面如上所述,凝结水速度是影响用于冻土路基冷却的ACS热性能的主要因素之一然而,常规实践使用在给定高度(例如,距气象站10m)处测量的风由于幂律的简单性,它通常被应用于工程应用中地面以上不同高度的风速插值[45幂律描述如下:Xay¼v10 10ð1Þ见图9。在研究期间,MMWS在(a)0.5 m、(b)1.5 m和(c)3.0 m高度处沿六座塔楼的变化。其中y和v10分别是地面以上x和10m高度处的风速,a是幂律指数(PLI)。PLI的值被认为是取决于地面粗糙度的常数。分析了2月和9月来自6座塔楼的MMWS数据,以检查现有结构的影响在0.5 m高度处,图9(a)所示TR-60、TL-60、TR-30和TL-30处的MMWS值接近。在四座塔中,TR-30处MMWS值在研究期间比其余塔低约0.2-在坡脚附近的观测位置,路堤显著减缓了风速,尤其是在背风侧。在迎风面,TR-0.5的最大MMWS比TR-60的最大MMWS小1.8 ms-1或40%。然而,在背风侧,在TL-0.5的峰值MMWS是2.2 m s-1或50%,低于TL-60。路堤对风速的影响随观测高度的增加而减小。图9(b)显示,在地面以上1.5 m处,TR- 60、TR-30、TL-60和TL-30的MMWS数据在整个研究期间几乎重叠。然而,两个塔在路堤坡脚附近的差异(即,TR-0.5和TL-0.5)见图10。在研究期间,沿TR-0.5和TL-0.5高度4.5 m处MMWS的变化。Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169176·例如堤坝,在风速剖面上。2月和9月的v10值分别为8.6和3.4m·s-1。 图图11(a)-(d)描绘了TR-60、TL-60、TR-30和TL-30处的风速廓线。在四个位置,风速随高度的变化可以很好地拟合幂律。然而,PLI值随地点和季节变化很大。在四座观察塔中,九月份的污染指数介乎0.14和0.18,而2月份的PLI值较大,范围为0.21至0.24。图图12比较了TR-0.5和TL-0.5处的风速廓线,这两处最靠近路堤,因此直接影响ACS的性能。结果表明,尽管路堤坡脚附近的风速受到很大影响(参见图1和图2),9和10),风速廓线仍然可以用幂律描述。然而,PLI值在见图11。 9月和2月在(a)TR-60、(b)TL-60、(c)TR-30和(d)TL-30的风速廓线以及使用幂律的拟合曲线。R2:相关系数。见图12。 9月和2月(a)TR-0.5和(b)TL-0.5的风速廓线,并使用幂律拟合曲线。Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169177有两个位置明显大于上述远离路堤的四个塔的位置。TR-0.5和TL-0.5的PLI值在9月份分别达到0.28和0.23,并在2月份分别跃升至0.40和0.38两个塔的PLI值明显更大,这清楚地反映了路堤为了量化路堤风速剖面PLI值的空间和时间变化,图13显示了整个研究期间TR-60、TR-30、TL-60和TL-30的拟合 PLI值上图显示参与贷款机构的季节性变动是同步及显著的。暖季风速较低时PLI值较小,冷季风速较高时PLI值较大,这与城市地形的观测结果一致[45此外,在同一个月内,迎风侧塔的PLI值略大于背风侧塔的PLI值。冷季距路堤60 m处的PLI值为0.18 ~ 0.23,平均值为0.21;暖季距路堤60 m处的PLI值为0.13 ~ 0.22,平均值为0.16。在距路堤30 m处,PLI值略有增加,冷季平均为0.25,暖季平均为0.18在四个地点中,全年只有少数PLI值小于0.16,这通常用于之前对QTP工程基础设施中使用的ACS的长期热性能进行数值评估[16,22,25,27,30,35图十三. 在研究期间,TR-60、TR-30、TL-60和TL-30的NAPPLI。4. 讨论4.1. 凝结水速度分布对空调系统长期热性能的ACS的可靠评估是必不可少的在数值计算中,对流层速度是空调系统与环境空气之间热交换的一个重要边界条件。如前所述,在10 m高度处观察到的风速通常用于根据幂律确定风速,并且两个PLI值(即,0.12和0.16)通常用于QTP工程基础设施中使用的ACS长期热性能的先前数值评估[16,22,25,27,30,35然而,本研究中的现场观测数据表明,PLI不仅随风速变化很大,而且大大超过了假设值(图10)。 11)。分析了TR-60和TL-60三个高度(0.5、1.5和3.0 m)的年平均风速(MAWS)值,以量化研究期间每年的PLI值,如图所示。 十四岁拟合结果表明,年平均PLI值为0.19。在图中,幂律预测风速参考气象站和PLI的v10剖面图还绘制了 0.12 和 0.16 的值用于比较。使用以前 的 PLI 值估计的NATURAL速度值被认为大于现场观测值。例如,风速在0.5和0.5时被高估了12%1.5m,分别高于地面的高度3.0 m,PLI为0.12的预测风速仍会高估10%。在QTP的永久冻土区,大多数铁路和公路路基高度通常低于5m[48,49],这意味着对采用ACS(包括CRL、VD和热虹吸管)建造的路基长期热性能的大多数数值评估采用了高估的NES速度;这些高估的速度导致高估了ACS热交换效率,因此对其长期永久冻土冷却效果的评估不保守。例如,一个估算的雷诺数速度将导致VD内的气流速度过高,以及热虹吸管的热提取率膨胀更重要的是,对于铁路和公路路堤中使用的CRL,高估的Nynthia速度不仅可能错误地确定对流类型,即风驱动与浮力驱动,而且还可能错误地确定对流强度。见图14。 沿(a)TR-60和(b)TL-60观测的年平均风速廓线以及PLI值为0.12和0.16的幂律预测廓线。Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169178·····CRL。过高的热交换效率会导致这些ACS的设计不足,这可能会危及多年冻土路基的长期热稳定性。4.2. 凝结方向对活性炭对流方向也是影响线性运输基础设施中使用的CRL和VD的长期热性能的重要因素。以设置通风管的公路路堤为例,通风管方向与路堤路线方位角共同决定了通风管与风管轴线的夹角,从而决定了环境风速与风管风速的关系。选择2018年8月15日和12月15日两天的现场观测数据,分别代表暖季和冷季的管道气流状况。图15显示了实验高速公路路堤中的半小时平均环境风速和管道内的气流管道内径为0.4 m,埋深为地面以上1.0 m。环境风速数据采集自气象站2 m高度处,气流速度数据采用沿管道轴线安装的超声波风速计测量。图16显示在选定的两天的半小时平均环境风向。 12月15日,环境风向相对持续,范围为242 °~ 332°,日平均282°,大致垂直于堤岸路线(197°)。当天,环境风速与管道气流速度之间存在明显的正相关关系,管道气流速度最大值为5.3m s-1。另一方面,8月15日的环境风向变化较大,范围在4°到360°之间。例如,18:00时的环境风向几乎垂直于路堤路线或几乎平行于管道轴线,导致管道气流速度为2.1 m s-1,约为环境风速(4.3 m s-1)的一半。然而,21:30时的环境风向近似平行于路堤路线或几乎垂直于管道轴线,产生的管道气流速度仅为0.2 m s-1,约为环境风速(6.8 ms-1)的1/30。这些结果表明,环境风向和风速需要考虑在评估与ACS的线性交通基础设施的长期热性能否则可能会高估ACS热交换然而,由于其复杂性,大多数现有的数值模拟[16,22,25,27,30,35-幸运的是,风在冬季QTP方向是相对持久的(图。5(b)),这在数值模拟中假设主导风向时注入了信心。在工程应用方面,垂直通风系统的设计应考虑实际环境风向与线性交通设施路线的夹角。例如,如果盛行风向靠近道路路基的路线,热虹吸管或CRL将是比VD更好的选择用于冻土路基冷却。否则,在寒冷的季节,应尽可能将通风装置对准盛行风向。5. 结论在确定用于多年冻土路基冷却的ACS的热交换效率时,NH3是关键。本研究的重点是在高海拔多年冻土环境中跨越线性交通基础设施的Necrosis。一个为期一年的实地观测的若虫越过位于内地的堤坝包括观测系统的布置、测量方法和收集的数据。根据现场观测资料,分析了路堤迎风面和背风面的环境空气风特征、风向风速及其随距路堤不同距离的变化规律。此外,在线性交通基础设施的背景下,讨论了NNARST对ACS(包括CRL、VD和热虹吸管)热性能的重要性。从实地观察、分析和讨论中得出以下结论:(1) 研究中心寒冷季节的风向相对持续。W、WNW和WSW风出现频率各占18.5%以上,合计占65.5%。相比之下,在温暖的季节,风向是相当分散的,没有一个单一的风向超过15%的出现频率。 寒冷冬季的风速明显高于温暖夏季。在寒冷的季节,ACS可以显著地利用冷风来保护多年冻土路基。(2) 路堤然而,背风侧垂直于路堤路线的风被减缓,而平行于路堤路线的风被加速。堤岸阻挡了风,导致迎风面和背风面海拔低于堤岸高度的风速大幅下降在堤顶以上,背风侧风速增强。若虫的速度可以恢复到大约15图十五岁2018年(a)12月15日和(b)8月15日的环境风速与管道气流速度Y. 穆,W.妈Z。(J.)Yang等人工程14(2022)169179图16. 2018年(a)12月15日和(b)8月15日环境风向。(3) 路堤两侧的风速廓线可用幂律拟合。PLI值随季节变化的风速和距路堤的距离变化很大。在距离路堤高度20倍的位置,冬季的平均PLI为0.21,夏季为0.16。按年计算,PLI值为0.19,显著大于0.12和0.16)。在这些数值模拟中,对PLI的低估将导致对ACS热交换效率的高估,从而导致对冻土路基冷却的不保守设计。(4) 风向也是影响线性交通基础设施中常用的CRL和VD的热性能的关键因素。忽略风向变化也会导致热交换效率过高和设计不保守。强烈建议在设计VDs时考虑主导环境风向与线性交通基础设施路线之间的角度。本文的结果是从一个案例中得到的,需要在不同的环境中进行更多的实地观察。地表条件、地形地貌、路堤几何形状等因素对路堤的特性有重要影响在应用结果或选择未来的野外观测点时,应考虑到这一点。确认本研究得到国家自然科学基金项目(41630636和41772325)和中国第二次青藏高原科学考察与研究项目(2019QZKK 0905)的资助。遵守道德操守准则Yanhu Mu、Wei Ma、Zhaohui(Joey)Yang、Xiaolin Li、KunZhang和Yuncheng Mao声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] Gruber S.全球多年冻土带高分辨率估算的推导和分析。Cryosphere2012;6(1):221-33.[2] 侯赛因·K 北极融化:新的经济前沿和全球地缘政治。 CurrDev Arct Law2017;5:40-5.[3] 杨世波,杨志荣,杨世波,李晓生.天然气水合物作为一种能源的回顾:前景与挑战。应用能源2016;162:1633-52.[4] Nelson FE,Anisimov OA,Shiklomanov NI.环北极永久冻土区的气候变化和灾害区划。 Nat Hazards 2002;26(3):203-25.[5] [10] Anisimov O,Brigham L,Goering D,Khrustalev LN,Ladanyi B,et al.基础设施:建筑物、支持系统和工业设施。北极气候影响评估。纽约:剑桥大学出版社,2005. p. 907- 44[6] Larsen P,Goldsmith S,Smith O,Wilson M,Strzepek K,Chinowsky P,等.估计阿拉斯加公共基础设施未来的成本面临气候变化的风险。全球环境变化2008;18(3):442-57.[7] 吴QB,牛FJ.青藏高原多年冻土变化与工程稳定性。中国科学通报2013;58(10):1079-94。[8] Ma W,Niu FJ,Mu YH.青藏高原多年冻土重大工程基础研究。Adv Earth Sci2012;11(27):1185-91. 中文.[9] StreletskiyDA,Suter LJ,Shiklomanov NI,Porfiriev BN,Eliseev DO. 评估气候变化对俄罗斯永久冻土区建筑物、结构和基础设施的影响。环境研究快报2019;14(2):025003。[10] 张文辉,李晓梅,李晓梅. 评估气候变化对北极圈关键基础设施影响的成本。PolarGeogr2019;42(4):267-86.[11] HjortJ, Karjalainen O , Aalto J ,Westermann S , 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