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

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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).

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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
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