Алгоритм подпрограммы может быть составлен как по экспериментальным данным?? так и по теоретическим расчетам применительно к конкретному случаю.
Для обращения к подпрограмме ISTO в подпрограмме GRUND (рекомендуемое приложение 2) следует заменить оператор А=0.0 с номером 0000399 на обращение к подпрограмме ISTO:
CALL ISTO (i,j,K,T,F).
В подпрограмме GRUND выводятся на печать значения рассчитанного температурного поля.
Пример текста подпрограммы ISTO приведен в рекомендуемом приложении 2.
2. PROGNOZ-3N
Задача решается по трехмерной расчетной схеме. Отличие от PROGNOZ-3S в том?? что вся исходная информация вводится только с перфокарт изменений текста не требуется. Максимальное количество элементов в расчетной области - 3000. Ввод данных осуществляется в управляющей программе MAIN3N и подпрограмме GLVN3N.
Подпрограмма BLOCK DATA отсутствует.
3. PROGNOZ-2S
Эта подпрограмма отличается от PROGNOZ-3S тем?? что рассчитывает только двух- и одномерные температурные поля. Программы MAIN и BLOCK DATA составляются для каждого варианта прогноза. Расчет двухмерных задач по модификации PROGNOZ-2S сокращает время расчета по отношению к PROGNOZ-3S приблизительно 1??5 раза.
4. PROGNOZ-2N
Аналогично PROGNOZ-2S рассчитывается только двух- и одномерные температурные поля. Вся исходная информация вводится только с перфокарт. Ввод данных осуществляется в подпрограмме MAIN2N и подпрограмме GLVN2N. Подпрограмма BLOCK DATA отсутствует. Максимальное количество элементов в расчетной области - 3000.
5. PROGNOZ-L
Решается двухмерная задача. Верхняя граница области исследования может быть задана ступенчатой линией.
Ввод данных аналогичен PROGNOZ-2N. Максимальное количество элементов (с учетом фиктивных) в расчетной области - 3000.
3. ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА
3.1. Расчетная область
Расчетная область исследования может быть задана трехмерной двухмерной или одномерной. Так как в грунтах теплообмен всегда пространствен т.е. трехмерен?? то в трехмерной расчетной области может решаться любая задача прогнозирования. В этом случае любая точка М грунта определяется координатами (x y z) в прямоугольной системе координат. В ряде случаев задача может быть сведена к двухмерной и даже одномерной что более выгодно и удобно при расчете на ЭВМ.
Алгоритм составлен и может быть применен для расчетных областей?? ограниченных прямоугольной верхней границей?? в контурах которой фиксированы в плане тепловыделяющие объекты. В трехмерном случае область исследования параллелепипед в двухмерном - прямоугольник и в одномерном - прямая. Для создания объема в двухмерной и одномерной областях задаются по направлениям в которых размеры не определяются единичные размеры?? равные 1 м.
Область исследования фиксируется прямоугольной системой координат?? с центром 0 в одной из вершин параллелепипеда и направлениями осей z - в вертикальном направлении x и y в горизонтальных. Направление горизонтальных осей x и y совпадает с осевыми линиями тепловыделяющих объектов. Величина ребер параллелепипеда определяет размеры области исследования. Его грани являются границами области исследования.
Различаются верхняя нижняя и четыре боковые границы (соответственно верхняя нижняя и четыре боковых грани параллелепипеда).
Теплопоток через боковые границы области исследования должен быть построен во времени и по всей плоскости грани. Исходя из этого определяются размеры области исследования.
На практике чаще применяется условие отсутствия теплопотока через боковые границы. Тогда для тепловыделяющих сооружений расстояние от их контура в плане до боковой границы области исследования должно быть в 2??5-3 раза больше чем размеры самого здания в том же направлении.
Положение нижней границы (глубина области исследования) выбирается ниже глубины распространения годовых колебаний температуры в грунтах и зависит от интенсивности тепловыделения на верхней границе а также срока прогнозного расчета.
При естественных условиях теплообмена на верхней границе?? или без наличия тепловыделяющих сооружений эта глубина должна быть не менее 15-20 м. В остальных случаях она должна быть на 10 м больше максимальной глубины чаши оттаивания?? определенной расчетом по СНиП II-18-76.
При определении области исследования следует исходить также из экономии времени счета на ЭВМ. Для этого следует использовать возможную симметричность задачи?? а также возможность сведения трехмерной области с двухмерной или одномерной.
Если задача симметрична или может быть сведена к симметричной то в трехмерной задаче плоскость (или плоскости) симметрии а в двухмерной ось (или оси) симметрии должны быть границами области исследования с условием отсутствия теплообмена на них.
3.2. Разбивка области исследования
Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров (рис. 4).
Рис. 4. Пример разбивки области исследования
Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями) параллельными соответствующим границам области в следующем порядке??
на верхней и нижней границах области исследования выделяются зоны с различным режимом теплообмена грунта с окружающей средой. На каждом из этих границ может быть выделено до 9 таких зон
границы выделенных зон с различным режимом теплообмена должны быть параллельны боковым границам области исследования. Если граница выделенной зоны не отвечает этому требованию то она заменяется ступенчатой линией со «ступеньками» аппроксимирующими ее контур и удовлетворяющими указанному требованию
после построения границ зон через каждую прямую образующую «ступеньки»?? как на верхней так и на нижней границах области исследования проводятся разбивочные плоскости??
криволинейные границы литологических разностей заменяются ступенчатыми?? с плоскостями образующих их «ступенек»?? параллельными границам области исследования??
проводятся разбивочные плоскости через плоскости полученных «ступенек»??
проводятся остальные разбивочные плоскости так чтобы в зоне возможных фазовых переходов грунтовой влаги размеры ребер получаемых прямоугольных элементов в направлении теплообмена составляли от 0??5 до 2 м. Размер ребер тех же элементов в перпендикулярных направлениях может быть соответственно в 2-3 раза больше. Вне зоны возможных фазовых переходов и влияния тепловыделяющих объектов размер элементов в направлении теплообмена может быть постепенно увеличен до 6-8 м.
По каждому направлению число элементов не должно превышать 100.
В результате проведенного разбиения область исследования состоит из прямоугольных элементов разных размеров. Каждая выделенная литологическая разность представлена целым числом элементов. В контурах зон с различным режимом теплообмена на верхней и нижней границах содержится целое число элементов (в плане).
Полученное разбиение остается постоянным на все время проведения расчета.
За каждым элементом закрепляется трехзначный индекс (i j к), где i определяет номер элемента по направлению оси z j - по направлению оси х и к - по направлению оси у.
Фиксируется число расчетных элементов по направлению осей.
Обозначим их соответственно NI, NJ, NK. Произведение P=NINJNK определяет число расчетных элементов во всей области исследования.
При решении двухмерной задачи NK =1. При решении одномерной NK =1 и NJ =1.
3.3. Начальные условия
В каждом полученном элементе области исследования задаются начальные условия (U*) т.е. температуры грунта?? соответствующие времени начала расчета. Эти температуры назначаются в геометрических центрах элементов и считывается?? что каждый элемент характеризуется температурой его центра. Последнее положение также относится к любым температурным полям полученным в процессе расчета задачи.
Начальное распределение температур в области исследований назначается по данным термокаротажных работ. Время проведения этих работ считается моментом начала расчета.
Начальная температура (U0) ни в одном из элементов не может назначаться равной температуре начала фазовых переходов (U*). В этом случае задается температура (U*)???? где =0,001°С.
Начальная температура грунта (U0) записывается в табл. 1 по «разрезам» сделанным параллельно оси j в области исследования для каждого фиксированного значения K?? где 1£KNK.
Таблица 1
K=1
|
i |
j |
|||
|
|
j =1 |
j =2 |
|
j =NJ |
|
i=1 |
U (1, 1, 1) |
U (1, 2, 1) |
· · · |
U (1, NJ, 1) |
|
i=2 |
U (2, 1, 1) |
U (2, 2, 1) |
· · · |
U (2, NJ, 1) |
|
i=3 |
U (3, 1, 1) |
U (3, 2, 1) |
· · · |
U (3, NJ, 1) |
|
· · · |
· · · |
· · · |
|
· · · |
|
i =Ni |
U (Ni, 1, 1) |
U (1, 2, 1) |
· · · |
U (Ni, NJ, 1) |
K=2
|
i |
j |
|||
|
|
j =1 |
j =2 |
|
j =NJ |
|
i=1 |
U (1, 1, 2) |
U (1, 2, 2) |
· · · |
U (1, NJ, 2) |
|
i=2 |
U (2, 1, 2) |
U (2, 2, 2) |
· · · |
U (2, NJ, 2) |
|
i=3 |
U (3, 1, 2) |
U (3, 2, 2) |
· · · |
U (3, NJ, 2) |
|
· · · |
· · · |
· · · |
|
· · · |
|
i =Ni |
U (Ni, 1, 2) |
U (Ni, 2, 2) |
· · · |
U (Ni, NJ, 2) |
и т.д.
K=NK
|
i |
j |
|||
|
|
j =1 |
j =2 |
|
j =NJ |
|
i=1 |
U (1, 1, NK) |
U (1, 2, NK) |
· · · |
U (1, NJ, NK) |
|
i=2 |
U (2, 1, NK) |
U (2, 2, NK) |
· · · |
U (2, NJ, NK) |
|
i=3 |
U (3, 1, NK) |
U (3, 2, NK) |
· · · |
U (3, NJ, NK) |
|
· · · |
· · · |
· · · |
|
· · · |
|
i =Ni |
U (Ni, 1, NK) |
U (Ni, 2, NK) |
· · · |
U (Ni, NJ, NK) |
3.4. Граничные условия
Граничные условия задаются на каждое границе области исследований на все время расчета температурного режима.
На верхней границе области исследования задаются независимые друг от друга граничные условия в каждой выделенной зоне с различным режимом теплообмена грунта с внешней средой.
Количество граничных условий на нижней границе определяется количеством выделенных на границе зон с различным режимом теплообмена. В одномерных задачах на верхней и нижней границах задается только одно граничное условие.
На каждой из боковых границ области исследования задается по одному граничному условию.
Различают граничные условия I, II и III рода.
Условие I рода - известна температура грунта на поверхности границы??
Условие II рода - известен теплопоток через поверхность границы.
Условие III рода - теплообмен через границу области исследования определяется температурой окружающей среды и коэффициентом теплообмена т.е. происходит по закону Ньютона.
Q=(Un-tB),
где Q - количество приходящего к поверхности грунта или уходящего от него тепла кДж (ккал)??
- коэффициент теплоотдачи с поверхности грунта Вт/(м2·°С)?? ккал/ /(м2??????С·ч)??
Un - температура поверхности грунта?? °С??
tB - температура окружающей среды?? °С.
Граничные условия верхней границы изменяются с периодом повторения Тпер?? назначаемым в исходных данных расчета. На практике наиболее часто употребляется Тпер=1 год=8760 часов.
Период счета разбит на интервалы. Если период год то интервалов 12 (12 месяцев) или 36 (36 декад). Количество интервалов задается в исходных данных переменной Li. На верхней границе области исследования в каждой выделенной зоне с различным режимом теплообмена грунта с внешней средой?? для каждого интервала периода счета задаются следующие средние значения за этот интервал величин?? определяющих теплообмен в зависимости от рода краевых условий в зоне
для условий I рода задается температура поверхности грунта?? °С??
для условий II рода задается величина теплопотока?? кДж (ккал)
для условий III рода задаются
tB - температура окружающей среды?? °С??
Rпов - термическое сопротивление поверхности грунта м2·°С/Вт?? м2·ч?? ??°С/ккал??
пов- коэффициент теплообмена?? Вт/(м2·°С)?? ккал/(м2·ч·°С).
На любой момент времени от начала счета значения этих величин определяются линейной интерполяцией между значениями их в соседних интервалах.
На нижней границе задаются условия теплообмена I рода. При этом в каждой выделенной зоне значения температуры могут быть только постоянными на все время проведения расчета.
На каждой их четырех боковых границ задаются условия II рода. Теплопоток на каждой границе постоянен на все время проведения расчета и по всей плоскости грани. Для граничных условий верхней границы заполняется табл. 2. При этом каждой выделенной зоне присваивается постоянный номер от 1 до М?? где М £ 9.
