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열 사이펀의 열전도율 산정을 위한 수치해석 모델 개발
Development of Numerical Analysis Model for the Calculation of Thermal Conductivity of Thermo-syphon 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.37 no.1, 2021년, pp.5 - 15  

박동수 (한국해양대학교 해양과학기술융합학과) ,  신문범 (한국해양대학교 해양과학기술융합학과) ,  서영교 (한국해양대학교 해양공학과)

초록
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북극권과 같은 한대지역의 동상민감성 지반은 계절적 대기 온도 변화 및 설치된 구조물의 온도에 의해 지반의 융기 및 침하 문제가 존재한다. 이러한 동상민감성 지반의 융기 및 침하 방지를 위한 지반안정화 공법으로는 매립 및 치환공법, 열 사이펀 등이 존재한다. 여기서 열 사이펀이란 내부 냉매의 증발, 응축을 반복하며 열 순환을 통해 이상 유동(two-phase flow)의 형태로 냉매가 지반의 온도를 외부로 전달하여 지반 온도를 조절 할 수 있는 공법이다. 본 연구는 이러한 열 사이펀의 성능을 열전도율로 수치화하기 위하여 ABAQUS 내부의 User-subroutine 코딩을 통해 열 사이펀을 지중의 한 열원으로 간주, 경계조건으로 적용시켜 기존 문헌의 열 사이펀 실내모형실험의 온도분포 결과와 비교하여 산정하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The areas consisting of frost susceptible soils in cold regions, such as the Arctic area, have problems of frost heave and thaw settlement due to the seasonal air temperature changes and internal temperature of installed structures. Ground stabilization methods for preventing frost heave and thaw se...

주제어

표/그림 (14)

AI 본문요약
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문제 정의

  • (2009)의 부동 수분 경향을 사용하였다. 또한 사질토의 경우 동결 시융기에 큰 영향을 미치는 아이스렌즈(Ice lens) 형성이 미미하므로 본 연구에서는 온도에 따른 부동수분에 상응하는 얼음은 부피변화가 없는 공극빙(Pore ice) 형성만고려하였다.
  • 본 연구는 열 사이펀의 성능을 비교하기 위하여#의값에 변화를 주어 실내 모형실험으로 도출된 지반 온도분포 결과와 비교하여 열 사이펀의 단위길이당 열전도율을 산출하였다. 열 사이펀의 단위길이당 열전도율 산출은 열 흐름율 산출하는 식인 Eq.
  • 본 연구에서는 기존 문헌에서 사용한 Temp/w가 지반의 융기 및 침하에 대한 해석을 할 수 없는 한계를 보완하기 위하여 열 해석과 융기 및 침하 연계해석이 가능한 상용 수치해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 열 사이펀의 성능을 산정하였으며 본 연구 결과는 다음과 같다.
  • 구성되어있다. 본 연구에서는 해당 열 사이펀의 냉매 충전율에 따른 열 사이펀의 성능 즉 열 사이펀의 단위 길이당 열전도율을 산정하기 위하여 열 유속 조건을 달리 하여 실내 모형실험으로 도출된 측정점의 온도분포 결과와 부합하는 열전도율을 산정하였다. Fig.

가설 설정

  • 그러므로 본 연구에서는 FEM 프로그램 툴인 ABAQUS를 통해 열 사이펀을 적용, 기존 문헌의 실내모형실험 결과와 비교하였다. ABAQUS는 열전달에 따른 지반의 융기 및 침하 해석을 동시에 적용할 수 있지만 본 연구는 기존 문헌의 지반이 동상민감성 지반이 아닌 사질토에 대한 결과이므로 이를 고려하지 않았다. 열사이펀의 경우 기존 문헌의 열 유속에 따른 열전도율을 부여하는 방식이 아닌 열 사이펀을 모델링 하지 않고 지반과의 접촉면에 경계조건으로 부여하는 방식을 사용하였으며 이는 ABAQUS 프로그램 내부 사용자 서브루틴인 DFLUX를 코딩하여 적용하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 최종 잔류 부동수분이 0이 아닌 아주 작은 값으로 수렴 한다. 가정하였으며(Osterkamp and Burn, 2015), 부동수분 곡선의 경우 Fig. 4의 Ziegler et al.(2009)의 부동 수분 경향을 사용하였다.
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참고문헌 (20)

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  15. Li, H., Lai, Y., Wang, L., Yang, X., Jiang, N., Li, L., Wang, C., and Yang, B. (2019), "Review of the State of the Art: Ingeractions between a Buried Pipeline and Frozen Soil", Cold Regions Science and Technology, Vol.157, pp.171-186. 

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  20. Ziegler, M., Baier, Ch., and Aulbach, B. (2009), "Simplified Phase Change Model for Artificially Frozen Ground Subject to Water Seepage", Proc. 17th Int. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering: The Academia and Practice of Geotechnical Engineering, Amsterdam, Netherlands: IOS Press, pp.562-565. 

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