Temperature waves in the ground near the base of thermal construction

Abstract

Numerical investigation of nonstationary conductivity in the ground near the pile is presented in this paper. The ground and the pile are exposed to temperature waves – seasonal variations of air temperature. The process of heat conduction in the ground is described by a two-dimensional nonstationary heat conduction equation with a variable conductivity coefficient, without the source term in the axisymmetric coordinate system. Algorithm CONDUCT is used for numerical solution of the problem. “Stationary periodic” mode is achieved during five periods in the present problem. Heat exchange with the environment is more intensive in the pile near the surface than on the surface of the ground. Penetration depth of temperature waves decreases exponentially with the depth of the construction, therefore their greatest influence on temperature distribution is found near the upper boundary. Thermal inertia demonstrates hyperbolic properties of solution for heat conduction equation with time-periodic boundary conditions. It contributes to phase difference between temperature oscillations at different depths.

В данной работе представлено численное изучение нестационарной теплопроводности в грунте вблизи сваи. Грунт и свая в течение года подвергаются воздействию температурных волн – сезонных колебаний температуры воздуха. Процесс распространения тепла в грунте описывается двумерным нестационарным уравнением теплопроводности с переменным коэффициентом теплопроводности, без источникового члена в осесимметрической системе координат. Для численного решения задачи используется алгоритм CONDUCT. Стационарно периодическое состояние системы в данной задаче достигается за 5 периодов. Около поверхности в свае наблюдается более интенсивный теплообмен с окружающей средой, нежели в грунте. Глубина проникновения температурных волн убывает с глубиной экспоненциально, поэтому наибольшее влияние на распределение температуры в области они оказывают вблизи верхней границы. Тепловая инерция является проявлением свойств решения гиперболического уравнения, при решении уравнения теплопроводности с периодическими граничными условиям во времени. Она создает сдвиг по фазе между колебаниями температуры в точках на различной глубине.