Введение в программу Rocscience RS2 модуля для теплового моделирования и анализа

Введение

RS2 представляет собой одну из флагманских геотехнических программ от компании Rocscience. Это универсальный программный комплекс для 2D моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов, который может использоваться при подземных горных работах, для проектирования тоннелей, карьеров, котлованов и фундаментов, а также систем их крепления, для оценки устойчивости склонов и пр. [3, 4]. Теперь он (в дополнение к вероятностным расчетам, анализу консолидации, совмещенным стационарным и нестационарным гидромеханическим расчетам, в том числе с использованием модели Biot, усовершенствованному динамическому анализу. – Ред.) способен выполнять и теплофизические расчеты [2].

Модуль для теплового моделирования и анализа Thermal Module программы RS2 (далее – термический модуль) – это новая функция, предназначенная для двумерного моделирования и анализа теплового состояния различных геотехнических сооружений с использованием метода конечных элементов. В этом модуле также поддерживается совмещенный анализ термогидромеханических взаимодействий. Термический модуль позволяет моделировать статическую температуру и теплопередачу, а также определять тепловые свойства конструктивных элементов. В программе RS2 предусмотрены различные типы тепловых граничных условий, включая условия с термосифонной системой (например, для моделирования термостабилизаторов. – Ред.), границы с теплоизоляцией и условия конвективного теплообмена. При использовании нового модуля по результатам анализа модели можно оценить температурную деформацию и устойчивость геотехнического сооружения (рис. 1).

Рис. 1. Результаты анализа устойчивости откосов модели насыпи в программе RS2 с использованием термического модуля (Thermal Module)

Применение термического модуля

Термический модуль программного комплекса RS2 можно использовать для моделирования поведения объекта при различных тепловых режимах, например для моделирования устойчивости грунта при его искусственном промораживании, тепловых расчетов геоконструкций при использовании теплоизоляции для предотвращения промерзания грунта или при использовании термостабилизаторов для предотвращения оттаивания грунта, анализа воздействия сезонных изменений на расход воды, влияния изменений температуры на результаты геотехнических расчетов из-за теплового расширения/сжатия и т. д. [2]. Читатели могут ознакомиться с другими примерами и верификационными моделями с использованием термического модуля программы RS2 в сборнике [5] и в руководстве [7] компании Rocscience.

Рис. 2. Применение термического модуля программы RS2 при анализе искусственного промораживания грунтов при строительстве тоннелей

Термические методы

Помимо решения статической задачи с использованием метода конечных элементов можно моделировать как установившиеся, так и неустановившиеся тепловые потоки. Кроме того, для анализа термогидромеханических взаимодействий доступно моделирование механизмов естественной конвекции, принудительной конвекции и эффекта фильтрации, вызванной поровым льдом (рис. 3, 4). (Указанный эффект учитывает дополнительное всасывание сверх существующего порового давления из-за изменений температуры. Фильтрация, вызванная поровым льдом, влияет только на гидравлические модели с ненасыщенным поведением. – Ред.). Также в процессе моделирования можно учитывать тепловое расширение и термическую дисперсию [2].

Рис. 3 Моделирование эффектов потока подземных вод вокруг замерзающей трубы в условиях принудительной конвекции и фильтрации, вызванной поровым льдом, с использованием термического метода

Рис. 4. Результат использования термического метода при моделировании. Влияние потока подземных вод вокруг замерзающей трубы в условиях принудительной конвекции и фильтрации, вызванной поровым льдом

Тепловые свойства материалов

Тепловые свойства материалов в программе RS2 могут быть определены с помощью разных расчетных моделей в сочетании с учетом параметров грунтовых вод (и степени водонасыщения грунтов. – Ред.) (рис. 5). Основные тепловые свойства включают начальный температурный режим, содержание воды (влажность), теплопроводность, теплоемкость, содержание незамерзшей воды в грунте, тепловое расширение и термическую дисперсию [2].

(В RS2 может быть использовано шесть методов определения теплопроводности. Она может быть определена:

1) как константа;

2) методом Йохансена (Johansen, 1977);

3) методом Йохансена – Лу (Johansen-Lu, 1977);

4) методом Де Вриса (De Vries) (Farouki, 1981);

5) методом Коте и Конрада (Cote and Konrad, 2005)

5) или задана пользователем с помощью набора точек данных.

При выполнении нестационарных расчетов в теплофизической модели должна быть определена объемная теплоемкость. В RS2 доступно три способа задания данного параметра:

1) в виде постоянной теплоемкости;

2) определенного на основе метода Джаме Ньюмана (Jame Newman);

3) заданного пользователем. – Ред.)

Рис. 5. Тепловые свойства материалов

Моделирование начальных условий

Начальные условия можно определить как статическое распределение температуры в рамках геометрии модели, введя точки сетки с указанием их температуры. Для моделирования теплового потока в модели можно использовать различные сечения теплопередачи с заданной скоростью теплового потока [2].

Рис. 6. Модель с температурной сеткой (углы ее ячеек показаны мелкими желтыми треугольниками)

Граничные условия

Граничные условия имеют решающее значение при выполнении теплофизических расчетов методом конечных элементов. Программа RS2 не только позволяет определять обычные граничные условия (например, для температуры, плотности потока (flux), узловой плотности потока (nodal flux)), но также может использоваться при моделировании более сложных случаев, например граничных условий конвекции для моделирования поверхностей, подверженных конвективному теплообмену, граничных условий термосифона для моделирования термостабилизирующих систем, граничных условий теплоизоляции для добавления теплопроводности между структурным элементом и телом объекта (рис. 7) [2].

Рис. 7. Моделирование теплопереноса для теплоизолированной стены с использованием граничного условия теплоизоляции в программе RS2

Интерпретация результатов

Важным элементом моделирования является возможность легкой визуализации и интерпретации результатов. В программе RS2 температура, поток, градиент, проводимость, удельная теплоемкость и содержание незамерзшей воды могут отображаться в модели в виде изолиний с использованием цветовой шкалы (рис. 8). Для просмотра истории тепловых данных для конкретной точки можно построить графики изменений температуры (рис. 9), потока и градиента во времени. Также с помощью линий можно показать направления тепловых потоков [2].

Рис. 8. Изолинии температуры (с использованием цветовой шкалы) вмещающего грунта и сооружения с термосифонной системой, установленной в фундаменте

Рис. 9. Изменения температуры в точке во времени

Дополнительные сведения о термическом модуле (Thermal Module) программы RS2 можно найти в соответствующем руководстве [6]. С дополнительными инструкциями по тепловым моделям можно ознакомиться в «Руководстве пользователя RS2» [8].

Как получить RS2 с термическим модулем?

Новая версия программного комплекса RS2 с термическим модулем теперь доступна для желающих. (Все пользователи RS2 с действующей подпиской на техническое обслуживание (Maintenance+) могут получить модуль теплофизического анализа абсолютно бесплатно, просто обновив программу RS2 до последней версии. – Ред.)

Потенциальные пользователи программы RS2 с термическим модулем могут больше узнать о ее возможностях на сайте компании Rocscience [4] или воспользоваться бесплатной 15-дневной пробной версией [1].

Источники

1. Get your free trial. RS2 // Rocscience. August 25, 2022. URL: rocscience.com/learning/introducing-thermal-module-in-rs2.
2. Introducing Thermal Module in RS2. August 25, 2022. URL: rocscience.com/learning/introducing-thermal-module-in-rs2.
3. RS2 // Advanced Survey Technologies (ООО «Современные изыскательские технологии»). 2022. URL: geoast.pro/rs2.
4. RS2 // Rocscience. 2022. URL: rocscience.com/software/rs2.
5. RS2. Thermal Analysis. Examples // Rocscience. 2022. URL: static.rocscience.cloud/assets/verification-and-theory/RS2/RS2_Thermal_Analysis_Examples.pdf.
6. RS2. Thermal Analysis. Theory Manual // Rocscience. 2022. URL: static.rocscience.cloud/assets/verification-and-theory/RS2/RS2-Thermal-Theory-Manual.pdf.
7. RS2. Thermal Analysis. Verification Manual // Rocscience. 2022. URL: static.rocscience.cloud/assets/verification-and-theory/RS2/Thermal-Analysis-Verification-Manual.pdf.
8. Thermal analysis overview // RS2 User Guide. Rocscience, 2022. URL: rocscience.com/help/rs2/documentation/rs2-model/thermal/thermal-analysis-overview.