寒区复合地基的温度场、水分场与变形场三场耦合模型

在冻土多相介质静力平衡方程、质量守恒原理、能量守恒原理、土骨架与冰颗料、水之间的传力机制及水、冰之间相变机制的基础上,系统地推导了冻土中土、冰、水三相介质的温度场、变形场、水分场三场耦合问题的微分控制方程,开发了相应的冻土三场耦合数值分析软件CDST,并对该软件的可靠性及分析精度进行了验证,最后对一寒区碎石桩复合地基实例进行了三场耦合有限元分析,分析计算结果显示:a.冻胀与融沉量不仅与温度升、降幅有直接关系,还与土体渗透系数有密切关系,将复合地基的渗透系数降低一个数量级,入冬时地基的孔隙水渗透变缓、冻胀加剧;b.碎石桩与砂土地基因不同的导热性、渗透性造成不同的冻胀、融沉特点,说明了碎石护坡,碎石路基施工措施的防冻胀机理,进一步的系统分析与数值试验,可为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据。

水库有机污染物生化需氧量-溶解氧和温度的耦合模型研究与应用

生化需氧量溶解氧(BOD5 DO)是反映水体有机污染程度的一个重要指标,而这些指标的浓度变化与水体温度有着密切关系。因此,研究三者之间的耦合数学模型,可以反映水体BOD5 DO迁移分布的规律。文章建立了三者垂向一维耦合数学模型,并给出了稳态情况下精确解的数学表达式且讨论了三者之间的关系,解决了求任意深度在温度影响下BOD5 DO的浓度值,同时还给出了耦合模型非稳态情况下的求解方法。

基于SHAW模型的祁连山浅山区荒漠草地土壤水热动态模拟研究

祁连山是我国重要的生态安全屏障,其浅山区是连接高寒山区与绿洲平原的过渡地带,土壤水热变化显著影响该区生态系统与水文过程的相互作用。本文利用祁连山浅山区荒漠草地的观测资料,基于SHAW模型对土壤水热动态进行了模拟和分析,利用控制变量法量化了不同冻融阶段气温和降水变化对土壤温度和水分的影响。结果表明:模型模拟的各层土壤温度纳什效率系数(NSE)均大于0.95,且土层越深模拟效果越好,模型模拟的土壤水分总体上能反映土壤水分的动态变化和浅层土壤中降水的入渗过程。不同冻融阶段土壤水热分布的剖面特征差异明显,总体而言,土壤温度波动随深度逐渐变小,而土壤水分随深度逐渐升高,浅层土壤水热过程对气象要素变化更敏感。情景分析表明,气温每升高1.0℃,土壤冻结发展期、完全冻结期和融化发展期分别缩短1.4 d、0.8 d和2.2 d,表层和深层土壤温度分别升高0.6℃和0.1℃,土壤温度升高的幅度随深度减小。降水的变化对完全融化期0.20~1.20 m的土壤水分影响最显著,对融化发展期和冻结发展期的影响体现在0.20~0.60 m的浅层土壤,而对完全冻结期的土壤未冻水含量基本没有影响。研究结果可为气候变化背景下祁连山浅山区脆弱生态系统的稳定性维持提供参考。

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上,提出水热力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393+950的冻土路基为计算对象,得出了1月份路基温度场、水分场及应力场(变形场)的分布规律:路基温度场内部存在着未冻土核;水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势;在负温条件下,土体的体积含冰量超过临界值时,将产生冻胀现象。研究结果表明,多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中,路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。

重庆北碚区土壤水热耦合模型研究

以南方的土壤和气候条件为背景,在裸露土壤的非恒温模型一维非饱和水流运动方程后增加根系吸水函数项得到作物地的土壤一维非饱和水流运动方程,与土壤中非稳态热流方程构成作物地的土壤水热耦合运移模型,联合初始边界条件,采用隐式差分法进行数值求解。结果表明:该水热运移耦合模型模拟值与实测值基本吻合,其拟合精度随土层深度增加而提高。

适用于深层页岩气井生产模拟和预测的自扩散流热耦合模型

明确高温、高压条件下页岩气的渗流规律是准确预测深层页岩气井产能的前提。为此,基于前人提出的自扩散流动模型,增加考虑温度场变化的影响,建立了渗流场和温度场耦合的自扩散流动模型(以下简称自扩散流热耦合模型),然后,将该模型与以达西定律和努森扩散为基础的渗流模型(以下简称修正达西模型)计算结果进行对比;基于自扩散流热耦合模型,分析考虑温度场变化的深层页岩气自扩散流动行为,探讨了井底温度变化对深层页岩气采出程度的影响;进而将自扩散流热耦合模型应用于四川盆地长宁区块上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组一口页岩气水平井的生产模拟。研究结果表明:①在相同参数下,采用自扩散流热耦合模型计算的页岩气产量大于修正达西模型计算值;②考虑温度场变化时,自扩散系数剖面出现峰值,气体密度剖面出现谷值,并且峰值/谷值对应数据点同步向地层内部移动,说明自扩散系数影响着气体传质速率,并且随着生产的进行,近井低温对气体自扩散的影响范围不断增大;③当井底温度低于地层温度时,近井气体自扩散系数减小,发生气体近井阻塞现象,从而使气井产量降低;④根据现场实例井的生产模拟结果,考虑温度场的变化,自扩散流热耦合模型能够更加准确地模拟深层页岩气井产量。结论认为,所建立的自扩散流热耦合模型可靠性和准确度更高,可以用于深层页岩气井的生产模拟和预测。

道面结构不均匀冻胀水热耦合模型试验及现场验证

为更加全面客观地认识机场道面结构的温度场、水分场及其耦合作用的基本规律,为季冻区机场道面结构不均匀冻害的防治提供理论依据和措施建议,设计道面结构不均匀冻胀水热耦合模型试验箱,开展外部水分渗入道肩试验和道面结构不均匀冻胀水热耦合模型试验,并利用现场冻胀量监测结果验证了模型的可靠性和适用性.结果表明:模型试验直观地模拟了跑道与道肩冻胀错台现象,阐明了其产生的原因和机理;揭示了机场道面结构温度场、水分场及其耦合作用的基本规律;外部水分入渗对机场道面结构水分场重分布有较大影响;机场道面结构的不均匀冻害是其内部水热耦合作用的产物,降温速率和温度梯度影响冻结时的水分积聚和迁移,反过来水分的重分布也影响温度的传递.采用室内缩尺物理模型试验和现场监测相结合的研究思路和实施方法不仅为季冻区建筑物不均匀冻胀问题的防治提供了理论基础,也丰富了人们探索水热耦合规律的方法,具有一定的参考价值.

一种基于温度变化的动力电池智能充电策略

针对动力电池在快速充电中容易发生温度过高、温度变化过大甚至导致热失控的问题,提出了一种基于温度变化的动力电池智能充电策略。分析了Reflex快速充电策略原理及其优点,针对动力电池的充电特性,采用模糊控制系统对Reflex快速充电策略进行优化设计;对电池单体进行脉冲放电实验确定电池参数,并在Simulink中搭建电-热耦合模型进行仿真。仿真结果表明:当Reflex正脉冲电流为1 C时,充电时间最长、充电初期温升最小但中期温度变化明显;当Reflex正脉冲电流为2 C时,充电时间为1 C的54%,但电池初期温升最大且温度超过安全充电温度;当采用智能充电策略,充电温升明显减弱、充电过程中温度变化减小且充电时间比2 C仅增加13%。根据智能充电策略进行实验,在0~2200 s智能充电策略电池温度变化符合仿真预期,证明该充电策略有效可行。

Compton散射下固体温度变化对光声信号强度的影响

应用多光子非线性Compton散射模型,研究了固体温度变化对光声信号强度的影响。结果表明,在Compton散射光和入射光形成的耦合光强度和频率不变时,随固体温度的升高,光声信号强度非线性迅速增强;固体温度不变时,随耦合激光强度和频率的增大,光声信号强度几乎趋于0。

水热耦合模型的研究现状及其应用

本文对水热耦合模型的研究现状进行分析,并通过该模型在一些领域中的应用成果的研究,提出了应进一步进行水热耦合模型中水热参数的机理性研究,探求更实用准确的试验方法,得到更有针对性的耦合模型,以便更好地应用到研究和生产领域中。

黄河源区不同植被类型覆盖下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化

在对不同植被覆盖度(95%,70%～80%,40%～50%和10%)下的土壤水分(θ_V)和土壤温度(T_s)进行日观测的基础上,研究了冻融过程中植被覆盖变化对土壤水分分布和温度的影响.土壤温度与水分关系的回归分析表明:土壤冻融过程明显受植被覆盖变化的影响,植被覆盖变化还导致土壤水分和温度的耦合变化.使用了一个土壤水分和温度的耦合模型来研究植被覆盖的影响,结果证明了这一方法的有效性.结果表明:土壤水分对土壤温度的变化范围和幅度都有影响,高盖度下的土壤比低盖度土壤持水性强.此外,在冻结过程中,由于水的热容量大于土壤的,高盖度土壤能够抑制土壤温度的降低幅度,高盖度土壤具有较好的绝热功能.对于黄河源区不同植被类型覆盖下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化研究有利于为高寒冻土地区冻土和生态环境的保护及合理利用提供科学依据.

不同摊放环境下茶鲜叶失水的变化规律

明确不同环境条件下茶鲜叶摊放过程失水动态变化规律,构建鲜叶水分含量变化的预测模型,从而有效预判摊放程度。本研究通过设置不同的温湿度,考察在一定的摊放时间内茶鲜叶水分的变化情况,利用响应面分析软件建立预测模型。结果表明,在不同环境下茶鲜叶水分含量随摊放时间的延长均呈现先快速下降后缓慢减少的趋势,且低温高湿环境能显著延缓鲜叶的失水速率。通过响应面分析得到鲜叶水分含量和温湿度、时间之间关系的预测模型(R2=0.9977),其具备较高的显著性和拟合度,且预测效果良好。构建的模型能较好地预测不同温湿度摊放环境下茶鲜叶水分的变化情况,对摊放进程的调控具有实际应用价值。

土体冻融过程中水、热、力三场耦合本构问题及数值分析

根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、水分场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。利用自行开发的程序进行数值模拟,加入我们推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对冻土路基水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果。

利用土壤水分特征点组分温差假设模拟地表蒸散

提出了一个土壤水分变化过程对土壤蒸发、植被蒸腾以及土壤温度、叶片温度的影响存在较明显差异的假设,利用双层能量平衡模型推导出3个水分特征点(湿润、干旱和由湿到干的转折点)的组分温差(土壤温度减去叶片温度)公式,利用特征点的辐射温度和实际测量的红外温度间的关系来计算实际显热和潜热通量.用2001年北京顺义区实验期间的观测数据对本方法进行了验证,结果表明,用本方法能在只有一个角度的遥感温度数据情况下获取精度较高、误差较小的地表蒸散模拟结果.该法在分解植被蒸腾、土壤蒸发以及监测表层土壤和根区土壤旱情方面有很大的潜力.

蒸发条件下冬小麦田土壤水热耦合运移模拟

综合考虑了根区土壤水分动态、根系吸水、蒸发蒸腾、地表能量分配和土壤中温度分布 5个子系统 ,建立了冬小麦蒸发条件下土壤水热耦合运移模拟模型 ,经实测资料检验其精度较高。该模型可用于田间水分动态、根系吸水、蒸发蒸腾。

有限单元法在人工冻土冻胀数学模型分析中的应用

建立了冻土中的热传导模型。在计算冻胀时,利用水分入流量和时间关系计算水分迁移引起的冻胀应变;利用已冻土中未冻含水量和温度关系,求原位水的冻胀应变,将冻结引起的体积膨胀系数作为负的热膨胀系数,利用MARC程序中热应力的计算程序计算外界迁移水和原位水的冻胀位移;两项位移之和为总冻胀位移,并利用冻胀率和荷载的实验公式来考虑荷载对冻胀的影响。采用有限单元法对二维水平冻结模型进行了数学模型分析。通过验证,证明所提出的有限元模型及相关参数,可以结合有限元计算软件用于计算冻土中的冻胀量,分析其在外界荷载作用下对环境的影响。

ALMANAC模型对大豆产量的模拟

本文使用ALMANAC作物生长模型对黑龙江省嫩江县鹤山农场的大豆产量进行了模拟,并探讨了影响大豆模拟产量与实际产量差异的原因。研究结果发现,1991年~2003年鹤山农场大豆的平均实际产量和模拟产量分别为2·75t/hm2和3·00t/hm2左右,误差为8·9%左右;大豆的实际产量与模拟产量趋势一致,均呈降低的趋势,说明模型能够用于模拟大豆的生产。造成差异的主要原因可能是某些突发的自然灾害。模拟得到的温度和水分的胁迫日数与该地区的气候变化有较一致的关系,即温度胁迫有减少的趋势,水分胁迫有增加的趋势。模拟结果还发现,提高大豆的出苗密度可以增加大豆的产量,但增加值与生长季的降水量有一定的关系。

冬小麦生态系统综合管理的计算机模型研究

以现代系统理论与思想为指导,用系统工程的方法,研究了麦田生态系统的结构与功能,并构造各个重要子系统的模型。通过研究子系统间的相互关系,将所有子系统模型耦合成为一个综合的麦田生态系统模拟模型。大量的模拟结果表明,本模型较真实地描述了实际系统,可用于冬小麦的管理。

山地冰川流动模型探讨

近30a来冰川动力学模型有了快速发展,在南极、格林兰冰盖预测中取得一系列重要成果,对山地冰川的研究也初见端倪.从冰川流动的力学过程出发,利用本构方程、理想冰川假设、浅冰层近似(Shallow ice approximation)假设完整地推导了理想冰川流动的物理过程,揭示了冰川流动的机理,建立了气候变化和冰川自身重力引起的理想冰川物质和能量再分配的温度耦合三维流动模型.结合山地冰川的冰床形态,将理想冰川与实际冰川相结合,使理想冰川流动模型更好地近似山地冰川的流动.

寒区桩基础的多场耦合分析模型及其应用

引入桩土相互作用的界面单元将冻土地基与混凝土桩联系起来,考虑应力场、温度场、水份场三场耦合条件,建立了冻土区桩土共同作用的粘弹塑性非线性有限元分析计算模式.结合工程实例用本文方法对单桩冻胀过程中的应力场及位移场进行了计算,着重揭示和研究了冻结过程中桩土间切向冻胀应力场、冻结应力场及位移场的随时间变化过程,进而研究了单桩承载力冻结过程中的发生与发展的变化过程.