冻融问题渗流场和温度场耦合数值模拟

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。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。