冻融问题渗流场和温度场耦合数值模拟.pdf

节选段落一：
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冻融问题渗流场和温度场耦合数值模拟
摘要：冻融作用在自然界中普遍存在，如自然环境科学中渗流与温度的相互作用会影响到渗流场和温度场的分
布，从而影响生物的生存环境。高寒地区工程的冻融破坏作用例如路基冻胀稳定问题，寒区隧道的冻胀破坏等，这
些都是渗流和温度的耦合问题。为了揭示冻融作用下渗流场和温度场的变化规律，建立了描述渗流场及温度场耦合
的偏微分方程，其中渗流方程中考虑了温度作用引起的介质渗透特性的变化和水量变化及温度梯度对渗流的影响。
在温度方程中考虑了相变对介质热物理参数的影响及水流动引起的对流作用影响。


节选段落二：
然后利用多物理场耦合分析软件
COMSOL Multiphysics 成功的求解该方程组，通过算例与 Lunardini 的解析解进行了对比，验证数学模型的合理性。
最后通过一个冻结壁算例，计算了在水流和热传导作用下的冻融情况和温度场的变化规律。结果表明温度场对渗流
场分布有一定的影响，同样渗流对冻融作用的影响显著，在冻融和渗流的作用下温度场发生了明显的变化。
关键词：渗流场 温度场 耦合 冻融 相变 数值模拟
引言
1973 年 Harlan.R.L.提出第一个水热迁移耦合模型[4]，他的基本思想是水的迁移类似于非饱和土
体中水分的迁移，因此在水分场数学描述中应用了达西定律。


节选段落三：
渗流场由于介质冻
融相变会对介质渗透性质和流动性质产生很大的影响，温度梯度也会引起渗流流动。冻融作用中考
虑介质的相变释放或吸收热量也会对温度场产生很大的影响。
1、渗流场和温度场耦合模型
1、控制方程：
渗流场：
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其中 S 表示储水系数； 分别代表冰和水的密度； 表示水的饱和度；表示介质的孔隙率；
分别代表介质的绝对含水率，和相对含水率；d 代表温度梯度对渗流的影响系数。方程 1 中左
边第一、三项表示渗流场基础方程其中考虑了温度变化对渗透系数的影响，左边第二、四项代表温
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度对渗流的影响引起的水量变化和温度势对渗流的作用。