第27卷 第6期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.6 2005年 6月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering June, 2005 热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究Thermosyphon technology and its application in permafrost杨永平1,2，魏庆朝2，周顺华1，张鲁新2(1. 同济大学 道路与铁道工程教育部重点实验室，上海 200331; 2. 北京交通大学 土建学院，北京 100044)摘 要：热管技术是国外寒区工程中广泛使用的一项主动冷却地基土体的技术，青藏铁路修建之前，国内很少对此技术进行研究。

本文针对应用于青藏铁路多年冻土工程中的热管类型，通过国内外的研究资料，综述了与青藏铁路热管应用效果相关的理论研究与工程实践成果。

由于青藏铁路沿线独有的气候和冻土条件，文中的理论与实践方法与参数虽然不能简单照搬应用于青藏铁路的设计，但是可以对青藏铁路多年冻土区热管的设计与应用起到借鉴的作用。

关键词：青藏铁路；热管；多年冻土；综述中图分类号：U 416文献标识码：A文章编号：2005–4548(2005)06–0698–09作者简介：杨永平（1976– ），男，博士，2004年12月于北京交通大学土木建筑工程学院获博士学位，现为同济大学博士后，从事高速铁路特殊土质路基结构分析及数值分析研究。

YANG Yong-ping1,2，WEI Qing-chao2，ZHOU Shun-hua1，ZHANG Lu-xin2(1. Key Laboratory of Road Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200331, China; 2. Civil Engineering School, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)Abstract: Thremosyphon is a widely used technology applied to the engineering projects in permafrost regions at home and abroad. Before the construction of the Qinghai-Tibet railway, there was little study on this technology. This study is based on the type of the thermosyphon used in the Qinghai-Tibet railway. For the weather and permafrost conditions of Qinghai-Tibet plautea are different from the conditions of foreign countries, it is not proper to directly apply their theory and productions to the design of thermosyphon embankments in Qinghai-Tibet railway. This paper will be useful for the design and application of the thermosyphon used in permafrost regions of Qinghai-Tibet railway.Key words: Qinghai-Tibet railway；thermosyphon；permafrost；comprehensive study0 引 言两相闭式热虹吸管（Two-phase closed thermosyphon）又称重力热管，简称热虹吸管。

是冻土区广泛使用的一种热管。

青藏铁路使用的热管是低温、氨—碳钢热管，是一种制冷热管，由于热虹吸管内没有吸液芯这一重要特点，不仅结构简单，制造方便，成本低廉，而且传热性能优良，工作可靠，青藏铁路冻土区适用的热管就是这种类型。

1 主要应用国家概述美国在20世纪60年代末申请了应用于多年冻土中的热管技术专利后，成立了研究机构，对热管技术在多年冻土中的应用进行了一些研究，主要的领军者为美国北极基础有限公司、阿拉斯加大学寒区工程研究所以及美国寒区军事工程研究所。

加拿大在60年代后期向美国购置了热管专利，开展了热管技术应用的研究，并于70年代后期成立了加拿大北极基础有限公司，向加拿大多年冻土区提供热管系统和技术服务。

加拿大已将热管广泛应用于北美寒冷地区的工程建筑物，用于冷却地基确保冻土稳定性。

目前主要的应用领域有工业与民用建筑、公路工程、铁路工程、机场跑道、输油管线、通讯塔、大坝及冻结墙等工程。

当前美国和加拿大正在联合研究并推进热管在铁路工程中的应用，开发热管通用分析方法，研究和编制通用简便的电子计算机程序，改进制造和安装工艺。

但是这些方面的研究成果仍属于公司所有，不予公开发表。

前苏联在60年代早期曾由学者ТаЛеев C ∏提到过热传导桩的概念[1]。

列宁格勒铁路运输设计院、莫斯科铁路运输设计院以及西伯利亚冻土研究站曾用煤油做工质设计了单相单管和多管热传导设计，应用于伊尔库茨克公路和雅库斯克水库等工程项目中。

煤油热管属于液体对流，较汽－液两相对流的热管传热效率要差。

目前也被成功地应用于土芯坝基等水利工程，以及冻土区铁路路基工程，但热管技术的研究远不及美国和加拿大。

───────收稿日期：2004–08–19第6期杨永平，等．热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究 699热管和热管基础的研究在我国开始不久。

20世纪80年代以来，我国中铁西北科学研究院、铁道第一勘查设计院、中国科学院兰州冰川冻土研究所以及交通部第一公路勘察设计院等单位的专家和技术人员多次赴美国、加拿大、前苏联以及俄罗斯等国家参观调研热管的使用情况。

为了进一步发展我国寒区铁路工程勘测、设计和施工技术，更好地解决寒区铁路工程中存在的有关热学、力学问题，铁道部于1987年进行了“冻土地区应用热管技术的研究”的科研项目，铁道部科学研究院西北研究所承担了此项研究任务。

经 3 a 的室内室外试验研究，解决了热管制作工艺、低温风洞试验等关键技术。

设计制作了我国第一批用于土木工程的热管，进行了低温风洞试验，测定了有关热参数，并于1988年冬在兰州进行了野外试验，后又于1989年在青藏高原五道梁多年冻土地区进行了现场应用试验，取得了一定的成果。

日本对热管技术应用的研究始于1985年，其研究重点是热管冷库，在融雪和防冻方面也有应用。

研究热管在寒区工程应用的国家还有瑞典、挪威以及芬兰等。

2 热管应用于寒区工程的理论研究在热管应用于寒区工程中以保护多年冻土的40多年的时间里，不同国家的学者们对于大气－热管－土体系统进行了深入的研究。

Long[2]关于热管在多年冻土地基中的应用中做了相当多的工作。

关于热管的评估和试验研究由Jahns （1973），Bayley & Lock（1965），Feldman & Munje （1979），Glover（1975），Galate（1974）以及Reid & Tennant（1974）完成。

单相及两相热管的试验与观测工作由Japikse（1973）来完成。

通过准静态分析水和冰的热敏感性，不考虑冰边界处水的对流，利用热阻模型进行冻结土体的热管蒸发器的分析由Haynes和Zarling（1983）给出[3~5]。

Lee & Bedrossian（1978）以及Negishi & Sawada（1983）使用模型热管试验发现使用水平蒸发器热传导率有很大的降低，蒸发段有“干涸”（冷凝物在蒸发之前不能到达管的底部）现象,这一结果被Haynes和Zarling（1988）使用蒸发段倾斜角度从0º~12º的真实尺寸的热管的试验所证实。

Fan Changfu等（1995）[6]试验数据显示低温热管的应用是消除冻胀破坏的有效技术，在热管的作用下，土体冻结很快发生，通过限制水从非冻结区向冻结区的运动而消除冻胀。

2.1 关于倾斜热管的研究与水平热管相比，在寒区工程中，倾斜热管的效果研究相对来说要少的多。

美国进行了许多计算倾斜热管的研究。

Payakaruk T & Terdtoon P（2000）研究了无量纲参数（Bond数、弗鲁德数、Weber数和Kutateladze数）对倾斜热管热传输速率的影响。

Lock G S H & Kirchner J D（2003）[7]通过试验研究了低雷诺数下倾斜封闭热管的特征，给出了加热段和冷凝段长度相同的热管的热传输数据。

Gholami M M（2003）通过试验研究了封闭两相热管的倾斜角度对热传输行为的影响。

白俄罗斯科学院的研究表明热管的优点在倾斜状态下表现得最为明显，此时对流型热管的效率大减。

瓦西里耶夫ΛΛ，格拉科维奇ΛП（1983）[1]研究了用倾斜热管冻结土的效果，研究认为在倾角为40°～80°时的倾斜热虹吸管中有一个热传递的最佳值。

Hayens F D & Zarling J P（1988）[5]用两个真实尺寸热管在美国军事寒区研究和工程实验室（CRREL）的大气风洞进行了实验室测试，得出热管的导热率是蒸发器倾斜角度的函数，并随着蒸发器倾斜角度而增加。

2.2 关于热管的数值模型研究大气－热管－土体系统涉及到的因素多，状态变化复杂，因此数值模拟具有很大的难度。

Bernier M A & Baliga B R（1992）研究了具有垂直蒸发段的封闭热管一维/二维模型，模型考虑了混合对流效果和绝缘部分的热损失（或热收益），提出的一维/二维模型与补充的试验进行对比。

Harley(1994)开发了一个瞬态的两维热管模型，该模型考虑了管壁和下落的冷凝物之间的热耦合。

Zuo Z J & Gunnerson F S（1994，1995）使用热力学第一定律建立了两相封闭热管的数值模型，模型能够进行热管的优化研究和设计。

REED, Jeffrey & Gordon（2002）研究了两相封闭热管的分析模型，建立了蒸汽和液膜在热管的不同部分流动时的质量、动量和能量平衡的控制量方程。

该模型对于预测系统的运行特征、系统运行时溢出和干涸很有用。