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1.
在考虑相变的热能平衡方程和非饱和水分迁移质量控制方程的基础上,建立温度场-水分场的耦合模型,并采用一种无网格粒子算法（SPH）进行数值求解。其中,耦合方程中考虑了水流传热以及温度势对水流的直接驱动,在不考虑相变的情况下,该耦合模型可退化为常温下的水-热耦合模型,故可用于模拟冻融循环的相关问题。从求解热能平衡方程中的含冰量出发,实现解耦并对半无限单向冻结条件下介质内非稳态温度场和体积含水率分布场进行模拟,将耦合作用下的温度场与不耦合的解析解进行对比,反映出水分迁移对温度场存在较大影响。最后,求解了路基边坡在季节性周期温度边界下,温度场、水分场分布的演变规律,并评估了边坡阴阳面受热不均对水热两场分布的影响。计算结果基本能反映土冻结相变的实际物理过程,光滑粒子算法可以用于尝试解决冻土领域的其他相关问题。 相似文献
2.
为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。 相似文献
3.
核废料储库周边介质热力耦合数值分析 总被引：4，自引：2，他引：2
以热力学和热弹性理论为基础,分析热-力相互耦合作用及其对热特性参数和力特性参数的影响。建立了非等温条件下的耦合作用控制方程,给出了相应的空间离散和时间离散形式。利用有限元法对一核废料储库的平面问题进行了计算,讨论了储库周围粘性土介质内温度场、应力场等的动态发展变化规律,并分析了耦合效应对计算结果的影响。研究表明,随时间的增长,热能由储库边壁不断向远处传导和扩散,而在空间上又处于不断变化的非等温状态,这一动态变化过程必然会诱致周围土介质内应力的产生和发展,并随温度的变化而不断变化。 相似文献
4.
岩体冻融过程中水热耦合非线性分析 总被引：1，自引：0，他引：1
针对工程地质和岩土工程中所涉及到的冻害问题,在质能平衡的基础上,充分考虑冻结岩体的热传导、水和岩体存在的热交换以及水热梯度共同作用下水分的迁移与转化,建立了水热耦合的非线性控制方程;对寒区大阪山隧道围岩的温度场和水分场进行数值模拟,并分析其水热耦合迁移规律.模拟结果表明:隧道围岩水分受冻结抽吸力和温度梯度的作用发生迁移,在隧道边墙处渗流速度最大;在考虑水分场时,隧道围岩的冻结圈将变薄,而且随着水分场中渗流系数的增大将更加变薄,水分场在很大程度上影响温度场的分布;为了减少冻害对寒区工程的破坏,应采取良好的保温措施.模拟结果与现有研究成果和工程经验类似. 相似文献
5.
饱和多孔介质热-水-力控制方程耦合项的意义及耦合影响分析 总被引：2，自引：0，他引：2
基于饱和多孔介质完全耦合条件下热-水-力控制方程的一般形式,对各耦合项的物理意义进行了分析。以等温条件下水-力耦合的Biot渗透固结理论和等压条件下热-力耦合的热弹性理论两种退化形式为基础,给出耦合系数的物理意义及其函数表达式。研究表明,其中一些耦合系数实际上有相同的物理意义和数学形式,因而可使控制方程得到简化。针对不同的介质特性以及热、水、力条件,给出几种特定情形下控制方程的简化形式。以无限大多孔介质中球域热源的热力学响应分析为例,对一些耦合项的影响程度进行了比较研究。 相似文献
6.
考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力（T-H-M）耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。 相似文献
7.
土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。 相似文献
8.
《岩土力学》2021,(5)
土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。本文采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响,以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与实验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。 相似文献
9.
裂隙岩体渗流耦合传热分析 总被引：2，自引：0，他引：2
以地下裂隙岩体在裂隙水—孔隙水和温度场之间耦合作用为研究对象,对热和流体流动控制方程采用有限容积数值方法进行离散求解,设置了六种裂隙水—孔隙水流速方案,给出了部分无量纲温度场,并分析了传热与流动原因。分析结果表明：岩体内裂隙水—孔隙水引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响;当裂隙岩体内发生地下裂隙水—孔隙水渗流、及热量的转移时,会产生渗流场、温度场之间的耦合作用;裂隙内水流渗透速度是影响岩体温度的主要因素,孔隙内水流渗透速度是影响岩体温度的次要因素,温差主要发生在裂隙水边界层处。 相似文献
10.
高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。 相似文献
11.
This paper presents a model for the analysis of clay liner desiccation in a landfill barrier system due to temperature effects. The model incorporates consideration of fully coupled heat‐moisture‐air flow, a non‐linear constitutive relationship, the dependence of void ratio and volumetric water content on stress, capillary pressure and temperature, and the effect of mechanical deformation on all governing equations. Mass conservative numerical schemes are proposed to improve the accuracy of the finite element solution to the governing equations. The application of the model is then demonstrated by examining three test problems, including isothermal infiltration, heat conduction and non‐isothermal water and heat transport. Comparisons are made with results from literature, and good agreement is observed. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
12.
非等温条件下道路水分迁移的数值模拟 总被引：5，自引：1，他引：5
通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题. 相似文献
13.
针对高放射性核废物地下处置库近场饱和裂隙岩体环境,提出一种由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了控制微分方程和基于拉氏变换域格林函数的积分方程;采用矩形单元把裂隙面域离散化,利用极坐标下的解析方法计算包含奇点的单元积分,利用数值方法计算分布热源和不包含奇点的单元积分,建立拉氏变换域的线性代数方程组,求解后,利用拉氏数值逆变换,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。对两个无内热源、流场确定的计算模型进行了计算,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比。计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维水流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。计算结果表明：与直接采用高斯数值积分相比,提出的解析法奇异积分精度较高;就裂隙水温度而言,单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,使得裂隙水的上游温度较低,而下游温度较高;无分布热源作用时,岩石热传导系数越大,裂隙水温度越低;裂隙水流速越大,裂隙进水温度对裂隙水和岩石温度分布的影响越明显;由于受到裂隙水流动传热的作用,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。 相似文献
14.
Several series of one-dimensional tests were used to study the nature of transient heat and moisture movements in a clay buffer under different imposed temperature gradients. The measured temperature and moisture profiles were used to calculate the diffusion parameters governing heat and moisture movement in the buffer material. The experimentally determined diffusion parameters are shown to be dependent on the moisture content and temperature. The diffusion parameters were calculated by using an identification technique, the root-time method, and an analytical technique. 相似文献
15.
An analysis of coupled heat and moisture movement in unsaturated soil in terms of the fundamental potentials for flow is examined. The approach adopted is based on the assumption that the total potential for liquid flow consists of two components, the elevation and the capillary potential. The fundamental potentials employed in the work are, therefore, temperature and capillary potential. The full theoretical formulation of the problem is presented, together with full details of the solution algorithm employed. Spatial discretization is achieved via the use of the finite element method, with the time-varying behaviour described by a finite difference technique. Soil parameter variations as functions of both temperature and moisture content are included in a one-dimensional approach. The work is applied to a practical engineering problem, namely heat and mass transfer in the upper layers of a soil stratum. This problem is of importance to the utilities, since many services are buried in this zone. Material parameters obtained from an associated programme of experimental work are employed. Moisture content and temperature profiles indicating the extent and rate of penetration of drying and heating fronts are produced. 相似文献
16.
A.P.S. Selvadurai 《Engineering Geology》1996,41(1-4):219-238
The paper presents the application of a Galerkin finite-element technique for the numerical solution of the differential equations governing coupled heat flow and moisture movement in a clay buffer. Attention is focussed on the axisymmetric modelling of the hygro-thermal processes encountered in the single borehole emplacement configuration developed for laboratory simulation. The numerical results derived for the time-dependent temperature distributions within the granite block and the residual moisture distribution within the buffer are compared with the respective experimental results. 相似文献
17.
为了研究影响地埋管周围土壤冻结的因素,文章建立了模拟严寒地区热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置。实验研究了进口流体温度、土壤体积含水率和土壤初始温度对地埋管周围土壤冻结的影响。结果表明:进口流体温度变化改善了埋管周围的温度场,有利于埋管换热器换热;随着土壤初始温度升高,减小了土壤物性参数的变化,增加了地埋管换热器的换热量;土壤体积含水率的增加,强化了周围土壤与地埋管换热器的换热作用,有利于提高地埋管的出口流体温度和取热值。 相似文献
18.
To determine moisture movement and heat transfer through an unsaturated soil under temperature and volumetric water content gradients, it is necessary to have knowledge of phenomenological coefficients of the soil. However, in unsaturated flow, i.e. flow through unsaturated soil, these phenomenological coefficients are not constants, but vary with volumetric water content as well as temperature. In this paper, an identification technique is proposed for evaluation of the phenomenological coefficients. The phenomeno-logical coefficients are first assumed to be certain kinds of functions of volumetric water content and temperature. The choice of the functional forms is based on an understanding of the physical situation, and previous knowledge of water flow in the isothermal case. The constant parameters associated with the functional forms are evaluated through the use of the identification technique. Once these phenomenological coefficients are obtained as certain functions of the volumetric water content and the temperature for a specified soil, analysis of coupled moisture flow and heat transfer in the unsaturated soil can proceed. 相似文献