[發明專利]一種液氮供液花管開孔直徑確定方法

有效

• 申請號: 201611207275.8
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN106844865B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 王濤;紀洪廣;由爽;高宇;裴峰
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種液氮供液花管開孔直徑確定方法，屬于人工地層凍結技術領域。該方法首先將液氮供液管底部封閉，然后在液氮供液管底部至地層凍結范圍內，沿供液管截面直徑方向開十字對穿孔，最后基于流量相等原則，確定開孔直徑。該方法確定的開孔直徑能夠確保各層位液氮供應量的一致性，從而能夠改善沿凍結器長度方向凍土體的均勻性，提高凍結效果，減少凍結時間，降低凍結施工成本。

技術領域

本發明涉及人工地層凍結技術領域，特別是指一種液氮供液花管開孔直徑確定方法。

背景技術

液氮用于人工地層凍結加固土體的工程逐漸增多，液氮凍結土體具有凍結速度快、凍土強度高等優點。

傳統液氮凍結器的設計主要還是參考傳統鹽水凍結系統中的凍結器設計方法，即在底部封閉的鋼管中通入供液管，液氮在鋼管中流動沸騰，從而帶走地層熱量直至地層成凍結狀態。

但由于液氮汽化溫度低(-196℃)，吸收少量熱即可出現氣化現象，氣態氮上升過程攪動液態氮，其混合體呈現一種沸騰狀態。大量液態氮氣化后，造成上部地層的凍結效果差，凍結速度慢。最終形成沿凍結管深部方向，越深凍土體越大，越往上凍土體越小的一種水滴形凍土體。凍土體不均勻，下部過分凍結、上部未達到凍結設計。為改善液氮凍結中的凍土均勻性問題，有專利提出在液氮凍結器的供液方式上做改進，如“液氮花管均勻凍結器(申請號：200720035238.3)”，通過在液氮供液管上打小孔的方式改善液氮凍結器在凍結段管壁的溫度均勻性，從而確保凍土發展速度的一致性，孔徑2mm-5mm。

但根據經驗確定的2-5mm的開孔直徑存在很大局限性，對于不同液氮供應量、不同液氮注入壓力、不同凍結器管徑等條件下不存在普適性，且沿液氮供液管長度方向上下管徑一致，只能在一定程度上緩解液氮供液管單孔出液造成的凍結不均勻性，無法達到真正的土體均勻凍結。

本發明提出一種液氮供液管上開孔直徑的確定方法，根據施工條件計算得出的開孔直徑，能夠確保各層位上液氮供應量的一致，從而確保整個凍結深度范圍內凍結器內液氮沸騰狀態均勻性，達到提高土體凍結質量、節約液氮消耗量，減少凍結時間，降低凍結成本的目的。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種液氮供液花管開孔直徑確定方法，根據施工條件計算得出的開孔直徑，能夠確保各層位上液氮供應量的一致，從而確保整個凍結深度范圍內凍結器內液氮沸騰狀態均勻性，達到提高土體凍結質量、節約液氮消耗量，減少凍結時間，降低凍結成本的目的。

該方法具體步驟如下：

(1)將液氮供液管底部封閉；

(2)在液氮供液管底部至地層凍結范圍內，沿液氮供液管橫截面直徑方向開十字對穿孔；

(3)基于流量相等原則，確定步驟(2)中的十字對穿孔直徑。

計算步驟：

①根據凍結土體體積、初始低溫、凍土平均溫度，估算液氮消耗量T；

②初步確定凍結時間t(即凍結壁交圈時間)；

③確定凍結器單管流量Q＝T/t；

④根據凍結范圍的地層條件，初步確定液氮供液管的開孔層位和開孔個數n，從而計算液氮供液管單個開孔流量q；

⑤計算開孔直徑d：

開孔直徑是開孔位置距離凍結管頂部的高度h的函數。

推導過程：

液氮輸入管直徑為d₀，開孔直徑為d，液氮管內液氮平均流速為v₀，液氮進口壓力P₀，凍結器單管流量Q，液氮輸入管單個開孔流量q，液氮粘度為γ，雷諾數

則