岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (1): 291-300.doi: 10.16285/j.rsm.2019.1509

• 数值分析 • 上一篇    

非饱和冻土水汽迁移与相变过程的 光滑粒子法模拟

杨高升1，白冰1，姚晓亮2，陈佩佩3   

  1. 1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态国家重点实验室，陕西 西安 710048； 3. 北京建筑大学 理学院，北京 102616
  • 收稿日期:2019-08-31 修回日期:2020-10-30 出版日期:2021-01-11 发布日期:2021-01-07
  • 通讯作者: 白冰，男，1966年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土介质热力学特性方面的研究工作。E-mail: bbai@bjtu.edu.cn E-mail:18115051@bjtu.edu.cn
  • 作者简介:杨高升，男，1991年生，博士研究生，主要从事寒区工程等方面的研究工作。
  • 基金资助:
    中央高校基本科研业务费专项资金（No. 2020YJS113）；国家自然科学基金资助项目（No. 51878035，No. 51678043，No. 51808026）和西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室资助（No. 2019KJCXTD-12）。

Smoothed particle hydrodynamics for simulation of water vapor migration and phase change in unsaturated frozen soil

YANG Gao-sheng1, BAI Bing1, YAO Xiao-liang2, CHEN Pei-pei3   

  1. 1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi’an University of Technology, Xi’an, Shaanxi 710048, China; 3. School of Science, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China
  • Received:2019-08-31 Revised:2020-10-30 Online:2021-01-11 Published:2021-01-07
  • Supported by:
    This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2020YJS113), the National Natural Science Foundation of China (51878035, 51678043, 51808026) and the Research Fund of the State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi’an University of Technology (2019KJCXTD-12).

PDF (Chinese)

406

摘要： 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。

关键词: 非饱和冻土, 水汽迁移, 相变, 水?热?汽耦合, 光滑粒子法

Abstract: A water-heat-vapor coupling model of unsaturated frozen soil is established based on energy and mass conservation equations by considering ice-water and water-vapor phase changes, and influences of heat transfer by water vapor and temperature potential on water vapor migration are also considered. The smoothed particle hydrodynamics (SPH) can be used to calculate their evolution process conveniently. In the solution, ice content and vapor content are solved at first, and then followed by solving of unfrozen water content and temperature field. With two steps as such, coupling of temperature field between water and vapor field is implemented. Distributions of unsteady temperature field, volumetric moisture content and water vapor flux in semi-infinite medium with thermal boundary conditions of the first kind are simulated. The results are compared with the analytical solutions without coupling. The water and vapor transfer shows a greater impact on the thermal field. Under the seasonal periodic temperature boundary, the distributions of thermal field and volume moisture content of embankment section are predicted in high compatibility with the actual data, which can well reveal the characteristics of water-thermal-vapor transfer and its phase transformation in unsaturated frozen soil.

Key words: unsaturated frozen soil, water vapor transport, phase change, water-thermal-vapor coupling, SPH method

中图分类号: 

  • TU 411
[1] 刘艳章, 郭赟林, 黄诗冰, 蔡原田, 李凯兵, 王刘宝, 李 伟, . 冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 62-71.
[2] 姜景山，程展林，左永振，丁红顺,. 干密度对粗粒料力学特性的影响[J]. , 2018, 39(2): 507-514.
[3] 黄诗冰，刘泉声，程爱平，刘艳章, . 低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析[J]. , 2018, 39(2): 735-744.
[4] 饶登宇, 白 冰, 陈佩佩, . 基于SPH方法的非饱和多孔介质相变耦合研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(12): 4527-4536.
[5] 姜德义，岳好学，张 璇，谢凯楠，蒋 翔,. 砂岩单轴压缩声发射和纤维束模型模拟[J]. , 2017, 38(S2): 1-8.
[6] 宋二祥，罗 爽，孔郁斐，李 鹏. 路基土体“锅盖效应”的数值模拟分析[J]. , 2017, 38(6): 1781-1788.
[7] 陈昊祥，戚承志，李凯锐，徐 琛，刘天添,. 深部巷道围岩分区破裂的非线性连续相变模型研究[J]. , 2017, 38(4): 1032-1040.
[8] 申艳军，杨更社，荣腾龙，刘 慧. 低温环境下含表面裂隙硬岩温度场及冻胀演化过程分析[J]. , 2016, 37(S1): 521-529.
[9] 穆朝民 ，戎立帆，. 磨料射流冲击岩石损伤机制的数值分析[J]. , 2014, 35(5): 1475-1481.
[10] 赵春雷 ，赵成刚 ，张卫华 ，蔡国庆，. 考虑组构变化效应的饱和密砂循环本构模型[J]. , 2014, 35(11): 3056-3064.
[11] 刘泉声，康永水，黄 兴，徐朝政. 裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况[J]. , 2012, 33(4): 971-978.
[12] 俞凌杰 ，张文涛 ，范 明 ，刘伟新 ，彭瑞东 . 膏岩三轴压缩试验及高温相变特征研究[J]. , 2012, 33(11): 3318-3322.
[13] 吴礼舟，许 强，黄润秋. 非饱和黏土的冻胀融沉过程分析[J]. , 2011, 32(4): 1025-1028.
[14] 冷 艺，栾茂田，许成顺，马太雷. 复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究[J]. , 2009, 30(6): 1620-1626.
[15] 熊 炜，刘明贵，张启衡，王志铭. 多年冻土区桩基温度场研究[J]. , 2009, 30(6): 1658-1664.
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 姚仰平，侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐速超，冯夏庭，陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[3] 张力霆，齐清兰，魏静，霍倩，周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[4] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[5] 卢 正，姚海林，骆行文，胡梦玲. 公路交通荷载作用下分层地基的三维动响应分析[J]. , 2009, 30(10): 2965 -2970 .
[6] 陈 阵，陶龙光，李 涛，李海斌，王综勇. 支护结构作用的箱基沉降计算新方法[J]. , 2009, 30(10): 2978 -2984 .
[7] 李 磊，朱 伟 ，林 城，大木宜章. 干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究[J]. , 2009, 30(10): 3001 -3004 .
[8] 张明义，刘俊伟，于秀霞. 饱和软黏土地基静压管桩承载力时间效应试验研究[J]. , 2009, 30(10): 3005 -3008 .
[9] 刘振平，贺怀建，李 强，朱发华. 基于Python的三维建模可视化系统的研究[J]. , 2009, 30(10): 3037 -3042 .
[10] 陈 松，徐光黎，陈国金，吴雪婷. 三峡库区黄土坡滑坡滑带工程地质特征研究[J]. , 2009, 30(10): 3048 -3052 .
版权所有 © 《岩土力学》编辑部
地址：湖北武汉武昌小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所(430071)　邮编：200042　电话：027-87198484, 87199252, 87199253, 87198752　E-mail: ytlx@whrsm.ac.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发