不同初始含水率砂土水-汽-热耦合迁移数值模拟

地表浅层土壤水热状态是影响发生在该区域物理、生物和化学过程的关键要素。针对地表浅层土壤含水率低、温度变化大的特点,应用Hydrus-1D软件构建热源作用下一维非饱和土壤水-汽-热耦合迁移理论模型,进行砂土不同初始含水率下有无水蒸气迁移的数值模拟研究。结果表明:与仅考虑液态水迁移相比,考虑水蒸气迁移后,砂土含水率迁移加剧,温度上升速度加快;砂土的初始含水率越小,水蒸气迁移对砂土的水分迁移和温度变化影响越大,随着含水率的不断增加,水蒸气迁移对砂土含水率和温度影响的效应逐渐降低直到消失。因此,在低含水率砂土的水热迁移模拟研究中,应考虑水蒸气迁移因素,以提高模拟精度,在含水率较高的砂土中,可忽略水汽的迁移影响,以简化计算。

土壤原位热传导修复水-汽-热耦合输运模拟

为了研究有机污染场地原位热传导热修复过程中地层温度的时空分布规律,基于典型场地建立水-汽-热耦合输运模型,通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台对原位热传导修复过程中的土壤温升进行数值模拟研究,预测得到温度、水相及蒸汽相浓度分布随时间的变化规律.利用文献中的单根加热棒加热场地实测数据对模拟结果进行对比验证,通过参数化分析探究土壤孔隙度、水饱和度及毛细作用力对土壤温度时空分布的影响.结果表明,大孔隙度和水高饱和度将导致土壤温升减慢,这是由于大量热量用于液态水蒸发过程.毛细管力会强化液态水输运,增大蒸发速率.

基于HVT耦合场的不同地下水位路基土体湿度场特征研究

为研究广西岳圩口岸联线公路路基非饱和细粒土湿度场变化特征,文章引入水-汽-热(HVT)三场耦合下水分迁移理论,采用ABAQUS仿真平台建立起路基模型,探讨了路基湿度场特征参数影响变化情况。研究表明:地下水位即使差异化,但毛细水上升过程具有相似性,均为逐步减缓态势,而地下水位愈高,毛细水上升高度愈低,尤以水位在17.5 m后降幅减弱最明显;在地下水位7.5~17.5 m与20~22.5 m两个区间内,路基高度方向上含水率变化趋势各有差异,地下水位限制了高度方向上土层水分迁移过程;从路基底至顶部,基质吸力逐步增大,且地下水位愈高,基质吸力在高度方向上变化愈敏感;路基水平方向上水分迁移较弱,不会改变高度方向上含水率变化,同一高度方向上土层含水率维持较稳定。研究结果可对路基非饱和土体湿度场演化及参数分析提供参考。

非饱和冻土水汽迁移与相变过程的光滑粒子法模拟

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。

考虑冻土的陆面过程模型及其在青藏高原GAME/Tibet试验中的应用

陆面过程的研究对于更好地认识气候和天气系统的演变规律、陆地-大气水热交换过程、人类活动对气候和环境的影响等具有重要意义.建立了综合考虑土壤冻融、土壤水汽通量、植被覆盖和陆面-大气近地层水热交换的一维冻土-植被-大气连续体模型,模拟了固液相变、汽态水迁移、土壤水、汽、热耦合迁移等过程,反映了液态水从未冻区向冻结区迁移、冻结及其引起的潜热迁移的冻土物理本质,也反映了汽态水分从高温区向低温区迁移所引起的温度及水分场的变化,并对模型进行了检验.水分运动方程采用混合Richards方程,可适应各种边界条件.土壤水热传输模型求解引入了修正的Picard迭代法,不仅使计算迭代收敛更快,而且能更好地保证数值计算过程中的水量平衡.结合GAME/Tibet实验1998年5月份、7月份的观测数据,应用该模型对青藏高原安多观测点的水热交换过程进行了模拟分析.模拟结果表明:土壤的冻融过程对地温变化会产生负反馈作用;若净辐射相同,土壤表层含水量较高的情况下考虑冻结时其地热通量在冰融化时明显增加,显热通量减少,而潜热通量变化不大,但是冻结时各通量的变化不明显;而土壤发生融化时,尽管地热通量增加,但是地表温度仍然减小;土壤发生冻结时,尽管土壤负温要比不考虑冻结时高,但整体上热通量变化不大.