ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و کار عمده انجام می شود:



  • Convection
  • Conduction
  • Radiation


انتقال حرارت توسط Conduction به صورت انتقال انرژی حرارتی بین مولکول ها در نتیجه تماس مستقیم است.

انتقال حرارت توسط Convection وقتی است که انرژی سیال حفره ای از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شود.

انتقال حرارت توسط Convection بسیار کمتر از انتقال حرارت توسط Conduction است و در خیلی از موارد می توان از آن چشم پوشی کرد.

انتقال حرارت توسط Radiation توسط انرژی الکترومغناطیسی از یک نقطه به نقطه دیگر در فضا انجام می گردد. تشعشع خورشید تغییر فاز در تبخیر و چگالش در سطح زمین را به وجود می آورد.

تغیر فاز آب می تواند ناشی از یخ زدگی و ذوب داخل خاک باشد و Radiation نقش مهمی در خاک های غیر اشباع دارد اما عموما در مقایسه با جریان حرارت Conduction کوچکتر است.

انتقال حرارت در مسائل مکانیک خاک های غیر اشباع می تواند با هر سه ساز و کار فوق باشد.

مکانیسم انتقال حرارت در خاک ها - ایستاسازه
مکانیسم انتقال حرارت در خاک ها ی غیر اشباع

فاز آب می تواند به شکل مایع در داخل خاک در نظر گرفته شود و همین طور به شکل فاز بخار باشدکه قابل تبدیل به فاز آب در داخل خاک است. بسیاری از مسائل محیط زیستی شامل تعامل پیچیده چندین فرآیند فیزیکی است. برای مثال جریان حرارت، جریان هوا، جریان بخار می تواند به شکل همزمان در خاک غیر اشباع وجود داشته باشد که به هم وابسته هستند. لذا مدل سازی مستقل آنها مشکل است و معمولا یک یا دو فرآیند فیزیکی برای یک مسأله ژئوتکنیکی غالب هستند و حل همزمان این فرآیندها در عمل ممکن نیست.



فرآیند انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع



هدایت حرارت قابل مقایسه با جریان آب داخل خاک بوده اما این انتظار واضح است که مولفه وزنی در انرژی حرارتی وجود ندارد ولی در عین حال تشابهات بسیاری وجود دارد.

انتقال حرارت توسط Conduction مشابه با جریان آب و شامل دو مشخه عمده خاک می شود که مشخصه اول نرخ جریان و مولفه دوم نرخ ذخیره یا نرخ نگهداشت را تعیین می کند. در حالت جریان حرارت نرخی که با آن جریان حرکت می کند به عنوان هدایت پذیری حرارتی λ ماده شناخته می شود و ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی به عنوان ظرفیت حجمی حرارتی ζ ماده یاد می شود.

و همان طور که با ذخیره آب بیشتر، خاک مرطوب تر می شود با ذخیره حرارت بیشتر هم خاک گرمتر می شود و قابلیت خاک برای ذخیره حرارت تابعی از دمای آن است و هرچقدر گرمتر شود تمایل خاک به دریافت حرارت بیشتر، کمتر خواهد شد.

تفاوت های کلیدی بین جریان حرارت و آب وجود دارد. برای مثال وقتی که حالت آب از منجمد به ذوب تغییر می کند و وقتی هم که آب در سطح زمین تبخیر می شود، آنالیز حرارتی هم متفاوت خواهد شد.

 تغییر فاز آب شامل یک خصوصیت ماده مرتبط با گرمای نهان ذوب و گرمای نهان تبخیر می شود.

ارزیابی خصوصیات خاک برای جریان آب (تراوش در حالت اشباع و غیر اشباع) متفاوت از آنالیز حرارت است.

مسائل جریان آب نیازمند تعیین نفوذپذیری اشباع و همینطور تخمین تابع نفوذپذیری با SWCC است و همین طور تابع نگهداشت آب هم توسط SWCC محاسبه می شود. در حالی که برای آنالیز حرارتی، هدایت حرارتی و ظرفیت حرارتی به طور غیر مستقیم از اجزای تشکیل دهنده خاک (میزان آب و هوا) و نوع دانه های خاک تعیین می شود. مشخصات جریان حرارت می تواند در آزمایشگاه تعیین شود اما اعتبار چنین اندازه گیری هایی وابسته به مهارت فرد انجام دهنده آزمایش می باشد. منحنی SWCC نقش مهمی در آنالیز حرارت دارد به این علت که نسبت هوا، آب و دانه های جامد مشخصات حرارتی را تعیین می کند. چون معمولا نسبت هوا و آب در یک مساله انتقال حرارت ثابت است، خصوصیات حرارتی اغلب ثابت در نظر گرفته می شود. اما در حالت کلی خصوصیات حرارتی می تواند یک تابع غیر خطی از SWCC باشد. این موضوع وقتی مهم می شود که بخواهیم یک آنالیز ترکیبی از جریان، هوا و حرارت انجام دهیم.

جریان حرارت از داخل خاک
جریان حرارت از داخل خاک

نظریه جریان حرارت در خاک


روابط رفتاری مرتبط با جریان حرارت برای هر خصوصیت حرارتی خاک تعریف می شوند و ذوب و یخ خاک ها شامل گرمای نهان تبخیر خواهد بود و شبیه سازی این شرایط پیچیده از جریان حرارت در یک خاک غیر منجمد است. نظریه جریان حرارتی برای حالت دمای بیشتر از دمای یخ زدگی و همینطور دمای کمتر از دمای تغییر فاز آب (0 درجه سانتی گراد) استفاده می شود.


روابط رفتاری جریان حرارت


مشخصه ای که پتانسیل هدایت جریان گرما را به وجود می آورد دما است و وسایل اندازه گیری دمای خاک، گرماسنج جیوه، دماسنج های مایع داخل شیشه، گرماسنج دو فلزی، گرماسنج بوردون، گرماسنج مقاومت الکتریکی و ترموکوپل ها هستند. حرکت گرما ناشی از اختلاف دما بین دو نقطه است که گرادیان حرارتی نامیده می شود. جریان حرارت توسط قانون فوریه توصیف می شود. مشخصه ای از خاک که جریان حرارتی را کنترل می کند ضریب هدایت حرارتی λ است که این ضریب یک مشخصه ایزوتروپیک خاک است و با توجه به اثر شکل دانه ها در نظر گرفته می شود.


هدایت حرارتی خاک


مقادیر میانگین هدایت حرارتی برای انواع خاک و سنگ در جدول زیر آمده است. هدایت حرارتی خاک با دادن ضرایب وزنی برای آب، هوا و خاک محاسبه می شود.

مقادیر میانگین هدایت حرارتی
مقادیر میانگین هدایت حرارتی خاک

شکل زیر نشان دهنده تغییر هدایت حرارتی با مکش خاک است. مقدار آب یخ زده خاک تابعی از دمای زیر صفر بوده و درصد آب یخ نزده در خاک به کمک منحنی SWCC و معادله Clapeyron محاسبه می شود. برای مسائلی که آب داخل خاک یخ می زند یا ذوب می شود باید گرمای نهان ذوب L در نظر گرفته شود.

تغییر هدایت حرارتی با مکش خاک
تغییر هدایت حرارتی با مکش خاک

قسمتی از خاک که بخشی از سال یخ می زند و بخش دیگر سال یخ نزده است ناحیه فعال نامیده می شود. مقدار گرمای مرتبط با تغییر فاز آب، گرمای نهان ذوب نامیده می شود.

Jumikis(1966) و محققان دیگری نشان داده اند که یک خاک در حال یخ زدن سه ناحیه مختلف دارد یک قسمت یخ زده و یک قسمت در حال یخ زدن و یک قسمت که هنوز یخ نزده است.

 ضریب نفوذپذیری آب و درصد رطوبت یخ نزده آب به تدریج در این سه ناحیه تغییر کرده و در لایه در حال یخ زدن، مقادیر مکش بزرگتری به وجود می آید.

شکل زیر نشان دهنده نقش گرمای نهان آب است.

انرژی گرمایی سیستم خاک-آب، بیانگر نقش گرمای نهان آب
انرژی گرمایی سیستم خاک-آب، بیانگر نقش گرمای نهان آب

یخ زدن خاک



یخ زدگی خاک در اثر گرادیان حرارتی هوای سرد اتمسفر و لایه های گرمتر خاک رخ می دهد. وقتی که دمای اتمسفر کمتر از نقطه انجماد شود آب داخل حفرات شروع به یخ زدن و آزاد کردن گرمای نهان به داخل سیستم می کند و فشار حفره ای منفی هم افزایش پیدا می کند و در عین حال نفوذپذیری خاک کمتر می شود.



درصد رطوبت یخ نزده



Boyoucous در سال 1920 نشان داد که قسمتی از آب حتی تا دمای 78- کماکان یخ نزده باقی می ماند. بین درصد رطوبت و مکش و دما ارتباط وجود دارد که بیانگر نقش SWCC است.



منحنی مشخصه انجماد خاک (Soil-Freezing Characteristic Curve)



(Williams,1964) داده هایی ارائه کرد که بیانگر ارتباط بین SWCC اندازه گیری  شده در دمای اتاق با دمای زیر نقطه انجماد بود و Koopmas &Miller 1966 یک تشابه بین منحنی های خشک سازی و تر سازی و منحنی های ذوب و یخ ارائه کردند و مشاهده کردند که در این منحنی ها هم هیسترزیس وجود دارد و ذاتا SFCC مرتبط با SWCC است. محدوده دمایی که در آن آب یخ می زند توسط SFCC مشخص می شود، به گونه ای که دمایی که در آن آب شروع به یخ زدن می کند معمولا صفر درجه و محدوده ای که یخ زدگی کامل می شود نامیده می شود. شیب منحنی SFCC با  نمایش داده می شود و نشانگر تغییر درصد رطوبت حجمی یخ نزده در برابر تغییر دمای زیر نقطه انجماد است.



اندازه گیری مستقیم خصوصیات حرارتی



اگر چه معمولا خصوصیات حرارتی تخمین زده می شوند اما مهم است که با اصول اندازه گیری خصوصیات حرارتی آشنا شویم. در همه اندازه گیری ها اطراف نمونه باید عایق باشد و شکل زیر نشان دهنده تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده توسط Cote & Konard است که این تجهیزات شامل یک سلول اندازه گیری هدایت حرارتی با یک عایق محصور شده است و کل تجهیزات در یک اتاق با دمای 4 درجه سانتی گراد قرار می گیرد. قطر داخلی سیلندر 101.6میلیمتر و ارتفاع 75 میلی متر دارد و نمونه بین دو دیسک پیرکس با ضخامت 30 میلی متر قرار گرفته و هدایت حرارتی این دیسک ها 1.015w/m/°c در دمای 20-  و 1.09 در دمای 20+ است. توسط یک منبع حرارتی در بالا و پایین یک جریان حرارتی قائم و ثابت در طول دیسک های پیرکس و نمونه خاک برقرار می شود. نمونه خاک و دیسک های پیرکس با یک پتو پلی استر به ضخامت 50mm برای جلوگیری از هدر رفت شعاعی، محدود می شوند.

تجهیزات آزمایشگاهی برای اندازه گیری هدایت حرارتی
تجهیزات آزمایشگاهی برای اندازه گیری هدایت حرارتی

استفاده از کاوشگر سوزنی حرارتی



این روش توسط Stalhane & Pyk (1931) ابداع شد و توسط Vandeheld & Vander Drumen بهبود داده شد و استاندارد ASTM  در خصوص نحوه استفاده از این روش توضیحات کاملی ارائه کرده است.

این روش برای دمای بین 0 تا 100 مفید بوده و اگر تغییر فاز آب داشته باشیم روش مفیدی نخواهد بود.

جزئیات کاوشگر سوزنی حراراتی
جزئیات کاوشگر سوزنی حراراتی

روش های تخمین ویژگی های حرارتی



در این روش های تخمینی از خصوصیات پایه ای خاک مثل درصد رطوبت و درجه اشباع و وزن مخصوص خشک و پوکی استفاده می شود که مدل های متداول Karsten (1949) و Johansen (1975) و Cote & Konrad (2005) هستند.

در مدل Johansen هدایت حرارتی در حالت اشباع یکی از متغیرهای ورودی مدل است.

مدل karsten نشان می دهد که درصد رطوبت و چگالی خشک خاک عامل های اصلی تاثیر گذار روی هدایت حرارتی هستند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که درصد کوارتز داخل خاک تاثیر قابل توجهی روی هدایت حرارتی خواهد داشت.


در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

سایر مقاله ها

انواع موج شکن و طراحی آن ها (Types of Breakwater)

موج شکن ها سازه هایی هستند که جهت ایجاد آرامش [...]


بیشتر بخوانید

تحلیل و طراحی پی ماشین آلات (Machine Foundation)

پی ماشین آلات عموما علاوه بر بارهای استاتیکی ناشی از [...]


بیشتر بخوانید

سد باطله چیست؟ انواع سدهای باطله و کاربرد آن ها (tailing dams)

شرکت های معدنی مختلف به دنبال افزایش منافع اقتصادی خود [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش هم ارز ماسه یا ارزش ماسه ای (SE) (sand equivalent test)

نسبت ماسه به ریزدانه ها (سیلت و رس) در خاک [...]


بیشتر بخوانید