<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Proceedings of Petersburg Transport University</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Proceedings of Petersburg Transport University</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Известия Петербургского университета путей сообщения</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="print">1815-588X</issn>
   <issn publication-format="online">2658-6851</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">70237</article-id>
   <article-id pub-id-type="doi">10.20295/1815-588X-2023-3-740-750</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>Общетехнические задачи и пути их решения</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject>GENERAL TECHNICAL PROBLEMS AND SOLUTION APPROACH</subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>Общетехнические задачи и пути их решения</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">Freezing Time Calculation of the Above-Ground Water Pipeline Under Conditions of Negative Temperatures</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Расчет времени промерзания надземного водовода в условиях отрицательных температур</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Лапшин</surname>
       <given-names>Владимир Федорович</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Lapshin</surname>
       <given-names>Vladimir Fedorovich</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <bio xml:lang="ru">
      <p>доктор физико-математических наук;</p>
     </bio>
     <bio xml:lang="en">
      <p>doctor of physical and mathematical sciences;</p>
     </bio>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <aff-alternatives id="aff-1">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I</institution>
     <city>Санкт-Петербург</city>
     <country>Россия</country>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University</institution>
     <city>Saint-Petersburg</city>
     <country>Russian Federation</country>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <pub-date publication-format="print" date-type="pub" iso-8601-date="2023-09-21T00:00:00+03:00">
    <day>21</day>
    <month>09</month>
    <year>2023</year>
   </pub-date>
   <pub-date publication-format="electronic" date-type="pub" iso-8601-date="2023-09-21T00:00:00+03:00">
    <day>21</day>
    <month>09</month>
    <year>2023</year>
   </pub-date>
   <volume>20</volume>
   <issue>3</issue>
   <fpage>740</fpage>
   <lpage>750</lpage>
   <history>
    <date date-type="received" iso-8601-date="2023-09-20T00:00:00+03:00">
     <day>20</day>
     <month>09</month>
     <year>2023</year>
    </date>
   </history>
   <self-uri xlink:href="https://atjournal.ru/en/nauka/article/70237/view">https://atjournal.ru/en/nauka/article/70237/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>Цель: При остановке движения воды в трубопроводе в условиях отрицательных температур возможно его перемерзание и разрушение, что приводит к выведению из строя систем водоснабжения на длительный срок. Для безаварийной эксплуатации водовода важно знать время, в течение которого происходит его полное или частичное перемерзание. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы изучить физические процессы, происходящие при промерзании, сформулировать основную математическую модель и получить ее численное решение, найти аналитическое решение в квазистационарном приближении, получить формулы, удобные для расчетов времени промерзания, и определить диапазон значений параметров, при которых они справедливы. Методы: Математическая модель процесса промерзания опирается на использование закона сохранения энергии. При построении разностной схемы для численного решения нелинейных дифференциальных уравнений модели используется интегро-интерполяционный метод. Для приближенного аналитического решения используется метод разделения уравнений, описывающих процессы, происходящие с разными скоростями. Результаты: Сформулирована и обоснована математическая модель промерзания трубопровода при остановке движения воды в условиях постоянной отрицательной температуры окружающей атмосферы. В рамках квазистационарного приближения получены простые формулы для времени промерзания водовода. Установлены критерии применимости этих формул. Выполнено сравнение численного решения уравнений исходной математической модели с результатами, полученными в рамках квазистационарного приближения. Практическая значимость: Полученные в работе соотношения позволяют оценить время, в течение которого должны быть выполнены ремонтные работы и восстановлено движение воды в трубопроводе прежде, чем произойдет его разрушение вследствие перемерзания.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>Purpose: When the water movement in the pipeline is stopped in conditions of negative temperatures, its freezing and destruction are possible, which leads to the failure of water supply systems for a long time. For accident-free operation of the water pipeline, it is important to know the time during which its complete or partial freezing occurs. The purpose of this work is to study the physical processes that occur during freezing, to formulate the basic mathematical model and its numerical solution, to build an analytical solution in a quasistationary approximation, to obtain formulas that are convenient for freezing time calculation and to determine the range of parameter values at which they are valid. Methods: The mathematical model of the freezing process relies on the use of energy conservation law. When constructing a difference scheme, the integrointerpolation method is used to numerically solve the nonlinear differential equations of the model. To obtain an approximate analytical solution, the method of separating equations describing processes that occur at different speeds, is used. Results: The mathematical model of pipeline freezing during water movement shutdown under conditions of constant negative temperature of the surrounding atmosphere has been formulated and substantiated. Within the framework of the quasi-stationary approximation, simple formulas for the freezing time of the water pipeline have been obtained. The criteria for the applicability of these formulas have been established. The numerical solution of equations of initial mathematical model is compared with the results obtained within quasi-stationary approximation. Practical significance: The ratios obtained in the work make it possible to estimate the time during which repair work should be carried out and the movement of water in the pipeline should be restored before its destruction due to freezing occurs.</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>Надземный водовод</kwd>
    <kwd>внутреннее оледенение</kwd>
    <kwd>время промерзания</kwd>
    <kwd>математическое моделирование</kwd>
    <kwd>квазистационарное приближение</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>Above-ground water pipeline</kwd>
    <kwd>internal icing</kwd>
    <kwd>freezing time</kwd>
    <kwd>mathematical modeling</kwd>
    <kwd>quasistationary approximation</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p></p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Богословский П. А. Ледовый режим трубопроводов гидроэлектрических станций / П. А. Богословский. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. - 154 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Bogoslovskiy P. A. Ledovyy rezhim truboprovodov gidroelektricheskih stanciy / P. A. Bogoslovskiy. - M.; L.: Gosenergoizdat, 1950. - 154 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Жидких В. М. Ледовый режим трубопроводов / В. М. Жидких, Ю. А. Попов. - Л.: Энергия, 1979. - 132 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhidkih V. M. Ledovyy rezhim truboprovodov / V. M. Zhidkih, Yu. A. Popov. - L.: Energiya, 1979. - 132 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B3">
    <label>3.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Cheng K. C. Freezing and melting heat transfer in engineering: Selected topics on ice-water systems and welding and casting processes / K. C. Cheng, N. Seki. - New York: Hemisphere, 1991. - 815 p.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Cheng K. C. Freezing and melting heat transfer in engineering: Selected topics on ice-water systems and welding and casting processes / K. C. Cheng, N. Seki. - New York: Hemisphere, 1991. - 815 p.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B4">
    <label>4.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Gordon J. R. An Investigation into Freezing and Bursting Water Pipes in Residential Construction / J. R. Gordon // Research Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA. - 1996. - Iss. 96-1P. - Pp. 1-51. - URL: https://www.ideals.illinois.edu/items/54859.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Gordon J. R. An Investigation into Freezing and Bursting Water Pipes in Residential Construction / J. R. Gordon // Research Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA. - 1996. - Iss. 96-1P. - Pp. 1-51. - URL: https://www.ideals.illinois.edu/items/54859.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B5">
    <label>5.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Akyurt M. Freezing phenomena in ice-water systems / M. Akyurt, G. Zaki, B. Habeebullah // Energy Conversion and Management. - 2002. - Vol. 43. - Pp. 1773-1789.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Akyurt M. Freezing phenomena in ice-water systems / M. Akyurt, G. Zaki, B. Habeebullah // Energy Conversion and Management. - 2002. - Vol. 43. - Pp. 1773-1789.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B6">
    <label>6.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Терехов Л. Д. Технологические основы энергосбережения при подаче воды по водоводам на Севере: дисс. ... д-ра техн. наук / Л. Д. Терехов. - Хабаровск: Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 1999. - 275 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Terehov L. D. Tehnologicheskie osnovy energosberezheniya pri podache vody po vodovodam na Severe: diss. ... d-ra tehn. nauk / L. D. Terehov. - Habarovsk: Dal'nevostochnyy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya, 1999. - 275 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B7">
    <label>7.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">McDonald A. Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald, B. Bschaden, E. Sullivan et al. // Applied Thermal Engineering. - 2014. - Vol. 73(1). - Pp. 142-153.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">McDonald A. Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald, B. Bschaden, E. Sullivan et al. // Applied Thermal Engineering. - 2014. - Vol. 73(1). - Pp. 142-153.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B8">
    <label>8.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Hongfei Xu. Modelling ice and wax formation in a pipeline in the Arctic environment / Xu Hongfei, H. Dali, S. Yue et al. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2020. - Vol. 66. - Pp. 104197. - DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2020.104197.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Hongfei Xu. Modelling ice and wax formation in a pipeline in the Arctic environment / Xu Hongfei, H. Dali, S. Yue et al. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2020. - Vol. 66. - Pp. 104197. - DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2020.104197.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B9">
    <label>9.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Терехов Л. Д. Внутреннее обледенение водоводов в зимний период / Л. Д. Терехов, Н. В. Твардовская, Е. А. Твардовская // III Бетанкуровский международный инженерный форум: сборник трудов, Санкт-Петербург, 2-3 декабря 2021 года. - СПб: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. - Т. 2. - С. 161-164.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Terehov L. D. Vnutrennee obledenenie vodovodov v zimniy period / L. D. Terehov, N. V. Tvardovskaya, E. A. Tvardovskaya // III Betankurovskiy mezhdunarodnyy inzhenernyy forum: sbornik trudov, Sankt-Peterburg, 2-3 dekabrya 2021 goda. - SPb: FGBOU VO PGUPS, 2021. - T. 2. - S. 161-164.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B10">
    <label>10.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Miheev M. A. Osnovy teploperedachi / M. A. Miheev, I. M. Miheeva. - M.: Energiya, 1977. - 344 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B11">
    <label>11.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena / S. S. Kutateladze. - M.: Atomizdat, 1979. - 416 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B12">
    <label>12.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">ГОСТ 21880-2011. Маты из минеральной ваты прошивные теплоизоляционные / Редактор В. Н. Копысов. - М.: Стандартинформ, 2012. - 10 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">GOST 21880-2011. Maty iz mineral'noy vaty proshivnye teploizolyacionnye / Redaktor V. N. Kopysov. - M.: Standartinform, 2012. - 10 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B13">
    <label>13.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Ландау Л. Д. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Наука, 1986. - 736 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Landau L. D. Teoreticheskaya fizika: Uchebnoe posobie. V 10 t. T. VI. Gidrodinamika / L. D. Landau, E. M. Lifshic. - M.: Nauka, 1986. - 736 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B14">
    <label>14.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Lykov A. V. Teoriya teploprovodnosti / A. V. Lykov. - M.: Vysshaya shkola, 1967. - 600 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B15">
    <label>15.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Самарский А. А. Теория разностных схем / А. А. Самарский. - М.: Наука, 1989. - 616 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Samarskiy A. A. Teoriya raznostnyh shem / A. A. Samarskiy. - M.: Nauka, 1989. - 616 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
