Посоветуйте пожалуйста программы для расчета температурных полей грунта, и материалы, методики их расчета. Возможно книги, где достаточно разумно описано как их рассчитывать.
Объясню зачем: учусь в аспирантуре в саратовском политехе, тема кандидатской: Исследование наложения температурных полей в грунте земляного коллектора геотермального теплового насоса. Уже год работаю в фирме в Саратове, устанавливающей оборудование от НВИЭ в т.ч. тепловые насосы, а материалов по этой теме мало.

Как успехи с поиском программы?
Может подскажешь как и с помощью каких методик можно расчитать температуру трубы заполненной водой стоящей без движения на расстоянии двух метров от трубы с водой с заданной температурой.

Ситуация такая: есть теплотрасса в ППУ изоляции на глубине 1,2м (глубина промерзания 3,5м) в нее врезан дренаж (отм. -1,6) на расстоянии 2х метров от врезки установлен вентиль. Таким образом имеем 2м кусок трубы под давлением и без движения воды. Т.е. дренаж находится в зоне протаивания от теплотрассы (предположительно) и получает тепловой поток посредством теплопроводности металла трубы и заполняющей ее воды от основной трассы. Нужно все это обсчитать и подтвердить или опровергнуть предположение, что труба не перемерзнет.

А что Вы в песочницу залезли? Настолько примитивно и общеизвестно?

Когда в этом еще ничего не понимал, попадалась на глаза что-то вроде такого: ... построение математической модели нестационарного процесса теплопередачи в системе теплосборный коллектор-прилегающий массив грунта.... или что-то в этом духе. Значит, в природе существует, кто-то проделал титанический труд. Успехов в поиске

Тут как-то шарился и забрел не туды... к изыскателям, ребята считали какие-то температурные поля грунтов, но там речь шла о стройке в районе вечной мерзлоты, особо не вдавался в подробности, но может стоит покопать с этой стороны. У них даж методичка какая-то по тепловым расчетам правда для мерзлых грунтов...

Есть такие программы для этого расчёта: ANSYS, CFD dynamics и т.д. Только бесплатных версия на них нет.
Вот в Украине такие программы использует Институт технической теплофизики, в России эта тема тем более развита.

Суть в том, что там ты создаёшь 3-х мерную модель, задаёшь теплофизические и начальные условия и эти программы всё это считают с визуализацией и протоколированием. Точность результата - 20-30%.

Я знаю таких людей, но когда шефу говорил, что надо им что-то заплатить - на этом разговор заканчивается.

Шеф абсолютно прав. Расчеты с такой точностью не нужны. С тем же успехом можно взять методички зарубежных производителей, ввести поправки на среднегодовую Т грунта, накинуть 30% на площадь коллектора для верности.
И вообще, любой заочный расчет, ИМХО, смысла не имеет. Вот ежели фирма приезжает на участок, бурит контрольные шурфы (для горизонтального коллектора) или опытную скважину (для зондов), затем проводит тесты и выдает результат по возможному теплосъему с гарантией, вот это да!!! В Европах (Швеция, Германия) есть такие конторы - они специализируются на наружных контурах для ТН.

Алекс прав. Пример: температура грунтов на 6-7м под Санкт-Петербургом может колебаться как от сезона к сезону на градус, так и от места. Под Сестрорецком встречаются поля с температурами +12С и выше! Про Кунашир, Приморье не говоря о Кавказе и Камчатке также можно иного говорить. Так когда был на Кунашире НЕ У ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ местная температура грунта была в закапушке 50-60см примерно +14-+16, на другом склоне долинки - +10С. Кстати в том случае это билось с минерализацией малых источников - снимали гидрогеохимию.
В Читинской и того хлеще - нигде ничего нет, кое-где на северных склонах остатки вечной мерзлоты, а по краям долины есть разломы, по ним прёт бром с прочей химией и температура выше на 3-6градузов уже на глубине 50см. Ширина таких аномалий - 6-20м всего была.

Можно попытаться определить наиболее выгодное место для копки. Лучше всего работать геофизикой. Я использовал микромейсмику или биогеохимию для выявления разломов, магнитометр и гравиметр как вспомогательные. Благо у отца фирма экологией и геохимическими поисками занимается. В совокупности найти можно достаточно уверено сечь. Но для Ваших целей этого будет возможно недостаточно. Помимо этих способов обычным тепловизором можно посмотреть если участок большой, или лучше на дальнем 50-70мкм ИК. Если оборудование найдёте. За то что есть или нет разлом ил поздемная река можно более-менее ручаться, так размыв на линии метро (около Площади Мужества в Санкт-Петербурге по биогеохимии секся с точностью 1,5-2м. Нельзя 100% гарантировать наличие наибольшего потенциала тепла. Можно лишь обозначить более точно где бурить. Как правило эта разность 2-4градуса по сравнению с фоновой температурой. Причем по биогеохимии отрисовывали структуры на нефть до 3,6км. Здесь же хватит 100м думаю.

Вынужден Вас разочеровать. Натурные испытания температурных полей достаточно сложное дело. Температурный режим нестационарный и при измерении температуры необходимо учитывать запаздывание теплового потока, а в массиве грунта запаздывание может составлять несколько десятков дней. В этом случае для получения достоверных результатов потребуется продожительные измерения, возможно в течении года. В противном случае погрешность результатов огромна.

Проблемы с матиматическим моделированием связаны с правильностью начальных и граничных условий и размерами расчетной сетки. Для повышения точности иногда необходимо использова сетку с сотнями тыс. ячеек. Период расчета может составить до нелели и более.

Разочарование не состоялось, всё гораздо хуже. Если уж на то пошло, измерения придется делать в течении нескольких лет, поскольку энергетический потенциал массива снижается в первые несколько лет эксплуатации, затем плавно выравнивается (при условии корректного монтажа контура).
И такие измерения надо будет сделать для каждого типа грунта. И для отдельного типа грунта-при разной влажности, хотя бы для типовых ее значений.
Определить граничные условия, напр. мин длина контура.Полученный массив данных нужно будет систематизировать, формализовать, построить матем.модель. Тогда это можно будет в каком-то приближении назвать рабочим инструментом.

Посоветуйте пожалуйста программы для расчета температурных полей грунта, и материалы, методики их расчета. Возможно книги, где достаточно разумно описано как их рассчитывать.

Самый (на мой взгляд, простой способ) простой способ описан в книге «Общая геокриология Раздел 1, глава 1, параграф как наверно не трудно догадаться тоже 1. (Общая геокриология: Учеб. Для вузов. – М.: Недра, 1990. -559 с.: ил.). Принцип такой, колебания температуры воздуха на поверхности это гармонические синусоиды, которые затухают по глубине, со смещением по второму закону Фурье. Очень просто можно определять температурные поля на небольшой глубине, в мало влажных грунтах (так как фазовые переходы методика не учитывает). Для инженерных задач обычно (выше крыши) достаточно!

Однозначно могу сказать следующее, что разовые измерения температур термометрами при решении даже инженерных задач использовать нельзя. Надеюсь это всем понятно.

Так сказать следующей уровень это решение балансовых уравнений, например явными численными методами. В ехселе можно навеять даже с учетом фазовых переходов. (встречал такие файлы). Далее идут решение задач Стефана в разных видах например по Лыкову «Теория теплопроводности» ну и так далее.

P.S. Я бы и сам с удовольствием ознакомился с литературой, программами и работами по данной тематике.

Нашел материалы одной из германских конференций, посвященные аспектам применения ТН. Опубликована температурная карта грунтов. Если учесть продолжительность предшествующей исследовательской кампании, то получается, что приблизительно лет 20-25 назад германцы знали темп-ры своих грунтов по всей территории страны на глубине аж до 2000 м.

И что?
Для ТН никто скважины на 2000м не бурит.
Интересуют процессы в поверхностных слоях грунта.

Есть подозрение, что в поверхностных слоях грунта подобные исследования сделать проще и, главное, дешевле. А значит, почти наверняка, сделаны.

Во первых, поверхностные слои грунта - совсем другое дело. Нагреваются они не теплом недр, а солнцем (поверхностным воздухом). Их температура на глубинах, где уже не сказываются сезонные колебания температур, но еще крайне мало влияние подземного тепла (5..15м) обычно очень похожа на средневзвешенную температуру воздуха за год, плюс небольшая поправочка на утепление снегом зимой и прямую инсоляцию летом (на открытых местах). Для московской области Тсреднегодовая около 6С; на глубине 10м имеем около 7С.

Во вторых, как правильно здесь заметили, картина температур "ненагруженного" грунта, даже на требуемой глубине, никого особо не интересует. Интересуют процессы, происходящие в динамике во время работы ТН, причем за много лет. Его величество теплоперенос: откуда, с какой интенсивностью, как зависит от типа и влажности грунтов, что происходит при обмерзании грунтового коллектора... Вопросы, на самом деле, очень сложные.

Приведу иллюстрацию: Теплонасосники, например, ВИССМАНН, пишут, что тепло, запасенное в поверхностном слое грунта, есть результат почти исключительно того самого солнечного прогрева - из недр, дескать, почти ничего не поступает. Почему же температура в горизонтальных коллекторах стабилизируется уже к началу декабря и больше не падает до конца отопительного сезона? Тепло мы отбираем очень интенсивно, на улице снег и мороз, грунт сверху ничто не греет, если не сказать наоборот... Откуда тепло-то? Запасенное в толще грунта под коллектором? И надолго его там хватит? Или оно потом зайдет сбоку?

http://www.meteo.nw.ru/articles/index.php?id=486

Спасибо, хорошая информация.

Пол этому графику макс. глубина промерзания 0,6м. и достигается она в марте. Слишком оптимистично....

Принимая во внимание текст...

Есть такая прога как TeploRotr(лучше тестовая версия от 24.06.09). Она рисует поле температур в грунте при подземной многотрубной прокладке. Легко найти в Гугле.

эта картина будет очень сильно интересовать прикладного математика или программиста, кот. возьмутся (если таковые найдутся) за построение математической модели объекта грунт-коллектор, если таковой еще нет. Поскольку воздействие грунтового коллектора являет собой функцию нескольких компонентов и не в последнюю очередь зависит от первоначального распределения Т в грунте.
К сожалению, профессионально тепломассообмен не изучал, только общий факультатив, да и тот в прошлом веке…Как представляется, схема рассуждений могла бы быть следующей. В более-менее однородную и стабильную изначально систему (с точки зрения величины амплитуды и фазы распределения Т в массиве) помещается «возмутитель спокойствия» в виде теплосборного коллектора и получаем некое возмущение этой системы в виде затухающих во времени по амплитуде колебаний, в идеале нивелированных до нуля (возмущения с самым большим периодом в несколько отопительных сезонов, + межсезонные). Тогда, в самом общем случае, искомая функция влияния будет являть собой разницу между конечным («нагруженным») состоянием и первоначальным. А вот тут-то и будут необходимы те самые данные о первоначальном распределении температур грунта. Ведь по сути, они уже содержат в себе информацию и о самом грунте, его свойствах, и о влиянии всех климатических факторов (средняя Т, атмосферные осадки, инсоляция, глубинные слои тд)

Необходимы, спору нет, но не достаточны.

Не совсем так. Информация о распределении температур лишь косвенно определяет такие ключевые параметры грунта, как теплоемкость, теплопроводность, сезонные колебания этих величин. Выходит так, что для решения системы уравнений со многими неизвестными количества уравнений будет недостаточно - оно меньше количества неизвестных. Я практически уверен, что для получения корректной математической модели процессов те самые параметры грунтов (напр. теплоемкость, теплопроводность) должны быть измерены напрямую - путем забора проб и их исследования, причем в различные сезоны (холодный/теплый, сухой/влажный)

А разве это сложно, измерить их напрямую?

В теории технически не сложно, но весьма затратно, долго и неразвито. Выезд буровой раза 4 в год, сами измерения непонятно кто может провести, и т.д. Короче, выходит так, что для небольшого объекта (коттедж) лучше на сэкономленные деньги тупо увеличить размер системы теплосбора. А на больших объектах все равно "правят бал" т.н. "открытые" системы, где вода забирается из источников (наземных, подземных) и чешет сразу в испаритель ТН. При всех своих недостатках эти системы прекрасно поддаются обсчету.

Любые прямые замеры очень сложны. Чтобы понять это, нужно попытаться их сделать самому и посмотреть на расброс результатов.
Масса побочных факторов, иногда даже невозможно понять, что так влияет на разброс параметров. Это я только о обычных замерах тока, мощности, температуры. С физическими грунтов, думаю, еще сложнее.