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非饱和（冻）土导热系数预估模型研究 总被引：3，自引：0，他引：3
岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。 相似文献
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青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究 总被引：4，自引：1，他引：3
土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。 相似文献
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土壤热导率的研究现状及其进展 总被引：5，自引：4，他引：1
土壤热导率是重要的土壤热参数之一, 在下垫面土壤热量的传输中起到重要作用; 同时也是区域气候模式、 陆面过程模式中重要的输入参数, 在预估未来气候变化等方面也具有重要作用. 根据国内外的研究现状, 评述了土壤热导率的影响因素和模拟方案. 其中, 土壤质地、 温度、 含水(冰)量和孔隙度等是影响土壤热导率的主要因素, 特别在研究冻土时需重点分析含冰量的变化. 结合影响因素, 比较分析了典型的国内外计算土壤热导率的模型, 得出这些模型多适用于模拟常温下的热导率, 低温条件如青藏高原冻土区模拟结果并不理想. 因此, 多年冻土区土壤热导率的研究多基于观测资料计算或使用陆面模式中的参数化方案估算, 但因多年冻土内部水热传输过程的复杂性, 青藏高原多年冻土区热导率的模型模拟仍需进一步研究. 相似文献
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近年来,随着全球能源消耗的增加,对新能源的开发和利用日益重要。地热资源作为一种清洁环保的新能源已经开始引起广泛的关注,对岩土材料的热性质研究也逐渐受到国内外学者的重视。土的热性质包括热传导系数、热扩散系数和比热容。其中,热传导系数作为其中最重要的性质,它不仅决定了热量在土体中的传播速度和土体温度场的分布,同时也是各种地热泵、能量桩等建筑热工结构设计中需要考虑的主要参数之一。首先介绍了土热传导系数的工程背景和研究意义,描述了土中的热量传播方式和类型,阐述了热传导系数的概念,并分析了土热传导系数的各种影响因素（含水率、密度、矿物成分、温度等）。在此基础上,总结了目前国内外土热传导系数模型的研究现状,并对各个模型的优缺点进行了简要的分析和评价。最后,提出了对土传导系数及模型研究的建议和展望。 相似文献
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膨润土缓冲材料热传导特性的研究,对于高放废物深地质处置系统的安全评价至关重要。基于串、并联原理,通过将土体孔隙划分为与固相基质并联和串联两部分,提出了考虑矿物成分、颗粒亲水性、孔隙率及饱和度等因素的非饱和膨润土有效热传导系数的4种预测形式,建立了基于4种形式线性组合的有效热传导特性预测模型。详细讨论了模型参数的确定方法,并讨论了孔隙率、饱和度和孔隙结构、颗粒亲水性等因素对土体有效热传导特性的影响。基于MX-80膨润土和高庙子膨润土热传导特性试验成果,对模型的预测性能进行了验证。结果表明,由于膨润土颗粒尺寸较小且具有亲水特性,孔隙内的空气与水宜采用并联描述。研究成果对于非饱和膨润土的导热性能以及工程屏障系统的THM耦合数值模拟研究具有一定的参考价值。 相似文献
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冻土导热系数研究现状及进展 总被引：7，自引：4，他引：3
冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。 相似文献
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土体内在结构对热导率计算模型的影响研究 总被引：2，自引：1，他引：1
为得到适用于土体的热导率模型,利用软件将土样扫描电镜图片（反映土体的真实结构）二值化,采用瞬态传热分析方法对土体进行二维传热分析,通过ANSYS模拟土体并分析得出土体热导率。并且将数值分析结果与实测结果进行对比,发现两者间误差较小,说明该方法能较精确地得到土体热导率,为土体热导率理论模型的建立提供了一种新方法。在此基础上,对粉砂、粉土及粉质粘土的热导率进行研究,发现土体热导率随孔隙率的增大而减小,粉砂热导率的减小速率最大,其次为粉土,最小为粉质粘土。 相似文献
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为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。 相似文献
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Somenath Mondal G.P. Padmakumar V. Sharma Maryam Shojaei Baghini 《Geomechanics and Geoengineering》2016,11(1):73-85
Determination of thermal properties of soils (viz., thermal resistivity, thermal conductivity, thermal diffusivity and heat capacity), which primarily influence heat migration through the soil mass, is essential in situations where geomaterials are relentlessly subjected to higher temperatures and temperature variations. These properties of the soil mainly depend upon its type, mineralogy, particle size and gradational characteristics, density and water content. In this context, earlier researchers have determined thermal conductivity of soils by employing a thermal probe (a line heat source), which works on the principle of transient method (TM) of heat conduction. However, this methodology cannot be employed for establishing the heat flow (read thermal regime) through the soil. Hence, development of an alternate technique, which facilitates quantification of temporal and spatial variation of the heat flux and temperature in the soil mass, becomes essential. With this in mind, a methodology to determine thermal conductivity of soils by employing the concept of thermal flux measurement (TFM) has been developed and its details are presented in this paper. Results obtained from the TM and TFM have also been critically evaluated for the sake of validation and generating more confidence in the proposed methodology. 相似文献
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分形渗透模型在饱和冻土中的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。 相似文献
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Reliable estimates of soil thermal properties such as heat capacity, thermal conductivity, and diffusivity are important in analysis of heat transmission through soils in applications such as shallow geothermal applications, buried electrical conduits, and in general heat/fluid flow analyses. A number of analytical, numerical and experimental methods are available to determine the soil thermal properties. In this paper, the analytical and numerical methods developed on the basis of one-dimensional heat conduction equation are used to estimate the apparent thermal diffusivity of soil. Three of the four analytical methods, Amplitude, Phase, and Arctangent provide explicit equations for the apparent thermal diffusivity. Two methods, Harmonic and Numerical, make use of large number of temperature measurements to implicitly solve for the apparent thermal diffusivity. The temperature time series data monitored at different depths in two field sites in Melbourne, Australia for more than 2 year period were used to estimate the apparent thermal diffusivity of soil down to 2 m depth. The apparent thermal diffusivity was calculated using all five methods and compared with laboratory experimental results. The effectiveness of each method in predicting the thermal diffusivity was compared and observed discrepancies were discussed. Finally, the observed soil temperature data for a 12 month period are used to model the temperature variation in the ground analytically using Harmonic method and the model prediction for the following 12 month was compared independently with the field measurements. The analytical model prediction is found to be in good agreement with the field monitored data. 相似文献
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热性质是岩土体基本的物理性质之一,用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况,以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见,这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明,土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大,粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值,然后减小,而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关,当含水率不超过20.0%时,其随干密度的增加而增大,而当含水率超过27.5%后,其随干密度的增加有减小趋势;当含水率在24.5%（液限）左右时,基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大;热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定,在低含水率下干密度的影响不明显,在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。 相似文献
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为弥补当前河岸带水热交换模拟对土体非均质传热考虑不足的缺陷,在饱和-非饱和渗流及多孔介质传热理论基础上,引入土体有效导热系数模型,构建考虑土体非均质传热的河岸带水热耦合模型。结合COMSOL软件的特点,给出河岸带水热耦合模型的实现方法及求解流程,并通过河岸带温度和水位原型观测资料验证和对比分析不同有效导热系数模型下河岸带水热耦合模型的模拟效果。结果表明：与传统不考虑土体非均质传热方法相比,该模型能够较好地反映河岸带水热交换过程。此外,基于Johansen有效导热系数模型的河岸带水热耦合模型模拟效果表现最佳,模拟结果与前人试验结果一致。研究成果可为河岸带水热交换及污染物迁移过程的深入研究提供技术支撑。 相似文献
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非饱和土热力学参数确定的探讨 总被引：2，自引：1，他引：1
研究非饱和土热力学的力学性质,必须建立能量守恒方程,表征能量的两个基本物理力学参数（体积比热系数和热传导系数）的确定是求解能量守恒方程的重要因素。对于不同颗粒组成的土体,对其干燥颗粒有效热力学参数进行了分析,对固体、液体和气体三相共存的热力学参数进行了研究,并对计算结果进行了对比分析,在此基础上,提出了较适合计算热传导系数的方法,并将此方法和体积平均法、自洽法及Hashin-Strikman方法进行了比较。经与试验结果对比表明：提出的方法能较好地描述非饱和土的热力学参数特性。 相似文献
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为了研究干密度、含水率和NaCl含量对遗址土热劣化的影响,采用Hot Disk热常数分析仪对良渚遗址、交河故城遗址和通古斯巴西古城遗址的遗址土重塑样进行了热物理参数的测试,分别确定了遗址土的导热系数、热扩散系数和体积比热随干密度和含水率的变化关系。对通古斯巴西古城遗址重塑样掺入了不同含量的NaCl,研究了含盐量对遗址土重塑样导热系数的影响。结果表明,当含水率与干密度增加时,3种遗址土的导热系数均呈线性增长,热扩散系数和体积比热也随着含水率与干密度的增加而增大;相同条件下3种遗址土的热物理参数存在差异,良渚遗址的较大,交河遗址的较小,通古斯巴西古城的居中总体上与土中SiO2含量成正相关关系。当干密度与含水率一定时, 掺入NaCl增加了遗址土的导热系数。 相似文献
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能量桩技术兼具支撑上部荷载和浅层地热能换热器双重功能;作为一种节能减排技术,近年来在国内外获得了一定的发展。然而,目前简单套用基于传统地埋管换热器获得的土体综合热导率系数,无法准确计算能量桩换热效率。依托河南理工大学某低承台3×3能量桩群桩工程应用,开展基于能量桩的土体综合热导率系数测试现场试验和数值模拟研究,分析加热时长、加热功率、流速及桩长等因素对土体综合热导率系数的影响规律,继而探讨能量桩在群桩中的布置形式对土体综合热导率系数的影响规律。研究结果表明,基于传统地源热泵测试所发展起来的土体综合热导率系数线热源分析方法,并不适用于分析基于能量桩现场实测所获得的相关数据;有必要推导一套考虑桩径影响的、适用于能量桩的土体综合热导率系数测试与计算分析方法。 相似文献
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土壤的孔隙是具有连续分形性质的物理结构,根据土壤孔隙分形结构建立了非饱和水力传导度模型。模型包括综合系数、分形维数和临界体积比3个参数,综合系数为不同土壤基质势对应的非饱和水力传导度与饱和传导度之间的水力联系,与土壤质地有关;分形维数反映土壤孔隙结构对于非饱和水力传导度的作用,土壤不同尺寸孔隙之间的连通性则通过临界体积加以描述。模型具有较为明确的物理解释。将模型应用于5种不同土壤的结果表明,所提出的非饱和水力传导度模型具有较好的模拟效果。 相似文献
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As the demand of exploitation and utilization of geothermal energy increases, more geothermal-related earth structures occur recently. The design of the structures depends upon an accurate prediction of soil thermal conductivity. The existing soil thermal conductivity models were mostly developed by empirical fits to datasets of soil thermal conductivity measurements. Due to the gaps in measured thermal conductivities between any two tested natural soils, the models may not provide accurate prediction for other soils, and the predicted thermal conductivity might not be continuous over the entire range of soil type. In this research, a generalized soil thermal conductivity model was proposed based on a series of laboratory experiments on sand, kaolin clay and sand–kaolin clay mixtures using a newly designed thermo-time domain reflectometry probe. The model was then validated with respect to k dry–n (thermal conductivity of dry soils and porosity) and k r–S r (normalized thermal conductivity and degree of saturation) relationships by comparing with previous experimental studies. The predicted thermal conductivities were found to be in a good agreement with the experimental data collected from both this study and the other literatures with at least 85% confidence interval. It is concluded that the proposed model accounts for the effects of both environmental factors (i.e., moisture content and dry density) and compositional factors (i.e., quartz content and soil type) on soil thermal conductivity, and it has a great potential in predicting soil thermal conductivity more accurately for geothermal applications. 相似文献