非饱和土体水平冻结过程中的水热耦合作用机制研究

土体在冻结过程中伴随热量传递、冰水相变、水分迁移等演化过程,其水热耦合作用机制非常复杂。为此,在进行演化方程组解耦、冻结锋面精细化处理的同时,采用土体冻结特征曲线改进未冻含水量计算,引入总含水量优化冰组分生成,提出一种新的水平冻结水热耦合理论计算模型。基于隐式有限差分方法对该模型进行数值求解,结合试验结果验证其有效性。最后,以张掖壤土为研究对象,分析非饱和土体的水热耦合演化规律。研究表明,土体在冻结过程中,未冻区的水分会向冻结区迁移,在锋面位置处发生水分积聚;在孔隙率相同的情况下,土体的初始含水量越高,其温度下降速度越快,冻结区含水量的增加也更为显著。土体的冷源温度越高,冻结锋面的发展速度越慢,从而使得水分迁移时间更为充分,对应的冻结区平均含水量越高,水分积聚现象也越突出。冰阻抗在冻结锋面附近影响土体中的水分迁移,使其含水量及热扩散系数下降,从而影响温度场的演化。

基于格子Boltzmann方法非饱和土体水热耦合模型研究

考虑热源作用下非饱和土体水热耦合作用机制,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别描述温度场及水分场的演化过程,建立了相应的水热耦合模型。同时,编制了计算程序,并结合半无限空间的水热耦合算例,验证了该计算模型的正确性。最后考虑水热耦合作用模式、热源温度以及土体孔隙率等因素的影响,讨论了非饱和土体温度场及水分场的演化规律。研究结果表明:传统的单向耦合模式无法表征水分迁移对土体导热特性的影响,从而导致温度场的演化规律有所偏差,而所提出的双向耦合模式更具合理性。在恒温热源作用下,不同热源温度对土体温度场及水分场的演化均会产生较大影响,且在非饱和土体温度升高速率较快的位置,体积含水率也相应的变化较快。在相同热源作用下,当初始体积含水率一定时,孔隙率较小的土体,温度升高速度较快,但总体差别不大,从而使得体积含水率分布也较为接近。

考虑壁面浸润性的光滑岩体微裂隙渗流特性数值模拟研究

在工程岩体中存在大量的微裂隙,由于隙宽尺寸微小,其壁面浸润性显著影响着流体在裂隙内的运动特性。为此,基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,建立了光滑岩体微裂隙渗流的数值模型,并结合蒸汽中的悬浮液滴和壁面接触角的模拟,证明了该模型的有效性。最后,考虑壁面浸润性、裂隙隙宽、压力梯度及流体黏滞性等因素的影响,研究了重力驱动下光滑岩体微裂隙的渗流特性。研究结果表明:疏水壁面对附近流体的排斥作用产生加速效果,而亲水性壁面则产生阻碍作用,从总体变化趋势看,疏水壁面对微裂隙渗流的影响比亲水壁面更加显著。随着微裂隙隙宽的减小,其壁面浸润性对渗流流速的影响逐渐增大,且壁面亲/疏水性越强,隙宽对其渗流特性的影响越突出。裂隙的平均渗流流速随压力梯度的增加而增大,两者呈线性关系,且壁面疏水能力越强,其直线斜率越大。此外,流体的运动黏度越大,其流动阻力也越大,从而导致微裂隙渗流的平均流速越小,且流体的运动黏度与平均渗流流速呈反比例关系。