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寒区土壤水热力耦合模型及数值模拟

郭琳

  寒区土壤以年为周期经历冻结和融化过程,水分、温度、应力在冻融过程中相互耦合、相互作用。由于土壤冻结时,不断发生水分迁移、冰-水相变、成冰冻胀等现象,故水热力之间的耦合关系十分复杂,研究难度很大。然而对于冻土区的路桥、管道、建筑等工程,需要确定其土体的温度、冻胀应力和冻胀形变。因此,研究土壤冻融过程中水热力的耦合作用对模拟水热迁移动态,掌握冻融规律,预防土壤的冻胀具有重要的意义。 本文首先对土壤在冻融过程中具备的基本性质进行了分析,明确了在模拟土壤温度场时应该考虑水分迁移、热传导、相变潜热及冰阻抗的作用。以水热耦合迁移方程为控制方程,联立未冻水含水率、最大未冻水含水率与温度的关系式,以地表和大气间的换热和土壤恒温层温度为边界条件,以土壤自然温度场为初始条件建立了土壤水热耦合温度场模型。采用数值方法进行求解,模拟计算结果表明:与不考虑相变、冰阻抗作用的结果相比,土壤温度曲线不再为平滑的余弦曲线,冻结过程和融化过程均存在温度的缓慢变化段,且融化段长于冻结段。与土壤温度场测试结果进行了对比,结果表明:考虑相变及冰阻抗的土壤温度场模拟结果与实测值吻合得更好。通过模拟计算,分析了土壤导热系数、导温系数、含冰量等因素对温度场的影响。随着土壤深度的增加或导热系数的减小,土壤曲线的变化趋势趋于平缓,冻结段和融化段的持续时间增长。含冰量越大,融化段时间越长。在冻土水分、温度耦合作用研究的基础上,应用ANSYS有限元分析软件,以寒区某埋地管道所在土体为例,对土体的温度、冻胀应力的耦合关系进行了初步的探索,对于冻土的冻胀研究具有一定的参考作用和工程意义。……   
[关键词]:土壤;水热力耦合;温度场;冻胀;数值模拟
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:东北石油大学2011年