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。

建筑多孔围护结构热湿耦合迁移研究进展

建筑多孔围护结构的热湿耦合迁移会严重影响建筑室内环境、建筑能耗以及建筑结构,而建筑热桥往往是发生湿迁移和湿积累最严重的部位。与建筑主墙体相比,热桥受多维效应的影响,热湿耦合迁移更加复杂。为探究建筑中不同部位的热湿耦合迁移,从而精准计算建筑热损失,首先分别从一维平壁墙体和多维热桥两个角度阐述了多孔围护结构热湿耦合迁移的研究进展,然后分析了多孔围护结构热湿耦合迁移对建筑的作用。多孔围护结构尤其是其中的热桥等复杂建筑节点处的热湿耦合迁移对建筑室内环境、建筑能耗及建筑结构有着重要影响,热湿耦合迁移模型、热湿耦合迁移实验等相关研究也亟待深入开展。

基于广义有限差分法的多孔介质墙体热湿耦合迁移模型求解

针对多孔介质墙体的热湿耦合迁移控制方程的求解问题,提出了一种基于广义有限差分法的新型无网格区域法数值模型。该模型在空间域上采用广义有限差分法离散,在时间域上采用隐式欧拉法离散,得到递归形式的线性方程组并用Matlab软件进行程序编写和运算。将计算结果与采用解析解、有限差分法、TDMA法和实验的结果进行比较,验证解法的准确性。分析了区域总点数、子区域选点数以及时间步长对数值计算精度的影响,结果表明该数值方法在求解热湿耦合迁移微分方程上具有良好的稳定性。

不同热源温度下水蒸气对土壤热湿迁移影响的数值模拟

研究不同热源温度下水蒸气对土壤热湿迁移规律的影响,对土壤储热和地源热泵技术的应用具有重要意义。为此,利用Hydrus-1D软件构建一维非饱和土壤水—汽—热耦合迁移数值模型,模拟研究了不同热源温度下砂土在水蒸气影响下的迁移变化规律。结果表明,对土壤热量迁移,考虑到水蒸气迁移可使热源影响半径由60 cm增大到78 cm,提升30%;对土壤水分迁移,则可使热源影响半径由78 cm增大到100 cm,提升28.21%。与不考虑水蒸气迁移相比,考虑到水蒸气迁移可减少土壤储热过程中温度的损耗,且其温度损耗减少增幅随热源温度的增大而增大。当热源温度高于70℃时,土壤的温度场和湿度场变化不稳定,且热源附近可能会出现干枯现象。

多孔介质墙体热湿耦合迁移实验方法

多孔介质墙体热湿耦合迁移对建筑热工性能、建筑能耗及室内环境有着重要影响,实验是研究该过程的重要方法.分析了多孔介质墙体热湿耦合迁移实验研究中的两个关键问题.首先,概述了多孔介质材料内瞬态湿度测量方法,提出了一种造价低、使用便捷并准确可靠的方法.然后,分析了国内外研究者常用的三种实验方案,设计了一种新方案,并根据新方案搭建了一个足尺寸实验台,为多孔介质墙体实验研究及数学模型验证打下基础.

核废料地质处置近场热—水—应力—迁移耦合二维有限元分析

引入渗透迁移方程,将所开发的饱和—非饱和孔隙介质中热—水—应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。然后针对一个假想的核废料处置库算例,考察了在热—水—应力—迁移耦合作用条件下近场温度、孔隙水压力及放射性核素浓度的分布及变化。

热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的抗剪强度及有限元分析

考虑裂隙的连通率、间距、孔隙基质和裂隙材料在表征单元(REV)中的体积分数,并假定双重孔隙-裂隙介质的等效内摩擦角保持常数,而等效黏聚力是固有黏聚力、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数,提出了一种在热-水-应力-迁移耦合条件下确定表征单元内任一平面上等效的黏聚力及内摩擦角的方法。针对一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置模型进行了数值模拟及分析。结果表明,基质吸力对于等效黏聚力的增强作用大于等效塑性应变和溶质浓度的减弱作用,使得等效黏聚力得到了提高,故减少了围岩中的塑性区;由此岩体应力、孔(裂)隙水压力及流速、孔(裂)隙溶质浓度的分布及量值也发生相应的改变。

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程,同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。

核废物地质处置中热-水-应力耦合对迁移影响的三维有限元模拟

将所建立的热-水-应力-迁移耦合模型及开发的有限元程序,由二维分析拓展到三维分析,并从方法论研究的角度,以一个简单的核废物地质处置模型为算例,进行热-水-应力-迁移耦合过程的三维数值模拟,考察了近场的温度、饱和度、核素浓度、孔隙水压力、位移、正应力、流速等的分布与变化,认为计算结果符合规律,得出了若干结论:为了精确地模拟放射性核素迁移,就必须将温度场、渗流场、应力场和核素浓度场进行耦合分析;核废物埋存若干年后将在处置孔壁附近产生较高的压应力;缓冲层内各点的核素浓度达到相对稳定的时间要比温度和饱和度达到相对稳定的时间长得多。

有限元法分析木片热湿耦合迁移物性参数

本文建立了描述木片热湿耦合迁移的数学模型。用数值方法(有限元法和有限差分法)对数学模型联立求解后。与实验相结合,分析计算了木片热湿耦合迁移的物性参数。研究表明,在确定了某些物性参数后,采用本文叙述的理论计算与实验结合的方法,可求算出某一未知或实验测定较为困难的物性参数。木片这种含湿多孔物料。有效导热系数均随温度的上升而增大,变化范围从10℃(含水率34％)时的0.2W/(m·℃)至47℃时的1W/(m·℃)。

水蒸气增湿非饱和黄土热湿迁移规律研究

温度梯度、含水率梯度和压力梯度对非饱和土体中的水热迁移有重要影响。用非饱和黄土填筑室内模型,通入0.10MPa高温水蒸气,研究蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度耦合作用下的水热迁移规律。结果表明:在水蒸气迁移范围之内,土体的升温速率、增湿速率和增湿程度较大,以蒸汽传热和压力梯度驱动的水蒸气增湿为主。而在水蒸气未到位置,以温度梯度引起的热传导和含水率梯度与温度梯度耦合驱动的水热迁移为主;水蒸气迁移时,受土颗粒阻碍和蒸汽压消散的影响,土体升温速率、增湿速率和温度传导速率均随径向距离的增大而减小,且增湿速率小于升温速率;水蒸气增湿土体的最大含水率接近最优含水率,增湿效果较好,可有效提高一定范围内土体的压实性能;基于模型试验边界条件,确定含湿毛细多孔介质中二维热湿迁移方程的一组代数显式特解,并以20 cm测点为例,将温度和含水率实测值和计算值进行对比分析。研究结果可为非饱和黄土水-汽-热耦合传输规律和水蒸气增湿新技术研究提供理论支持。

两种常见墙体的热湿迁移特性分析

大多数建筑墙体均为多孔介质材料,多孔介质墙体中湿迁移与热迁移是互相耦合的过程,湿迁移对热迁移有着重要的作用,例如会使热导率明显增加,同时,热过程对湿过程也有着影响作用。基于Fourier定律、Fick定律、Darcy定律,以温度和空气含湿量为驱动势建立了多层多孔介质墙体热湿耦合迁移数学模型,对两种常见墙体(红砖墙体和加气混凝土墙体)进行计算分析。结果表明,加气混凝土墙体比红砖墙体具有更好的保温隔热性能,但更容易发生湿积累和引发湿破坏。

锅炉烟气低品位余热回收技术综述

为了强化锅炉低品位余热回收,优化低品位余热回收技术方案,在介绍热湿耦合迁移和热交换2种烟气余热综合回收技术的基础上,进行了比较分析,归纳总结了各自的优缺点,分析了技术发展的趋势。指出将排烟焓值降低到接近周围环境空气焓值,就是烟气余热回收的极限。认为针对低品位余热回收,深入研究吸湿溶液吸收法和直接接触换热法,以及将两种方法结合会更有前景与意义。

应力腐蚀和压力溶解作用下双重孔隙岩体中THMM耦合过程的有限元分析

在使用Yasuhara等建立的裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型的基础上,将溶质浓度场引入笔者已开发的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合的二维有限元分析程序中,针对一个假设的位于非饱和岩体中且有核素泄漏的高放废物地质处置库,拟定2种计算工况:(1)裂隙开度随应力腐蚀和压力溶解而变化(基岩的孔隙率亦是应力的函数);(2)裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力-迁移耦合的数值模拟,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度和应力的变化、分布等情况。结果主要显示:应力腐蚀引起的闭合速率要高于压力溶解引起的闭合速率6个数量级,且两种因素产生的闭合速率随时间先增加后减小,并趋于稳定;当考虑应力腐蚀和压力溶解时,近场的负裂隙水压力上升很高;工况1中裂隙开度和孔隙率减小,使得相应的渗透系数降低,故该工况的裂隙和孔隙中核素浓度较工况2为高;由于不计入负的孔(裂)隙水压力对应力平衡的影响,2种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.

应力腐蚀和压力溶解引起的裂隙开度-刚度变化对THMM耦合过程影响的数值模拟

在使用Yasuhara等建立的裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型的基础上,考虑裂隙闭合量对裂隙刚度的影响,针对一个假设的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中且有核素泄漏的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况:(1)裂隙的刚度系数是裂隙闭合量的线性函数;(2)裂隙刚度为常数,进行热-水-应力-迁移耦合的二维有限元数值模拟,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度、裂隙刚度和正应力的变化、分布等情况。结果表明,两种工况岩体中的温度场、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度无明显差别;裂隙闭合基本由应力腐蚀产生;在相同计算时间内两种工况的裂隙闭合量较为接近,工况1略大;工况1中离玻璃固化体越近,裂隙刚度值越高,并且在玻璃固化体附近的应力值较大,且集中程度较高。

热湿气候地区墙体热湿耦合迁移模型热湿物性参数灵敏度分析

本文将热湿气候地区墙体热湿耦合传递模型中的等温吸放湿曲线斜率、液态水传递系数、水蒸气传递系数、导热系数、比热容作为输入参数,将温度和相对湿度作为输出参数,通过生成Sobol序列对热湿物性参数进行采样,并使用Sobol灵敏度分析法对采样结果进行灵敏度分析,得到热湿物性参数的一阶灵敏度指数和总灵敏度指数,进而分析各热湿物性参数对墙体内温湿度分布的影响程度。结果表明,等温吸放湿曲线斜率和液态水传递系数对墙体内的温湿度分布影响较大,而导热系数和比热容对墙体内的温湿度分布影响较小。因此,在进行墙体热湿耦合模拟时需将等温吸放湿曲线斜率和液态水传递系数视为温度和湿度的函数处理,而水蒸气传递系数、导热系数和比热容可视为常数处理。

热湿耦合迁移对长江流域建筑能耗模拟的影响

以温度和相对湿度为驱动势建立了热湿耦合迁移模型(CHMT),采用有限差分法以加权隐式格式离散控制方程,用C++编制计算程序;采用自编程序与有限元模拟软件COMSOL Multiphysics进行求解,将计算结果与实验数据和HAMSTAD验证实例进行对比,验证了模型的准确性;以上海、武汉和重庆的建筑南立面挤塑式聚苯乙烯(XPS)外保温砖墙为例,分别计算墙体在供冷季和供暖季的逐时得热量,并以累计得热量为指标,分析热湿耦合迁移对能耗模拟的影响.结果表明:当不考虑热湿耦合迁移时,上海、武汉和重庆的墙体在供冷季累计得热分别被低估10.04%,8.69%和9.11%;在供暖季累计失热分别被低估6.34%,6.62%和6.3%,因此在计算长江流域建筑能耗时应考虑热湿耦合迁移的影响.

三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.

非等温入渗条件下土壤中水分运移的解析分析

基于多孔介质渗流力学-热力学理论,建立了非等温条件下土壤中水-热耦合迁移的数学模型,并运用分离变量法和拉普拉斯(Laplace)变换对模型进行解析求解;通过算例分析,表明温度对非饱和土壤中水分迁移的影响。本文所得结果及结论,对于农田水利保护和地下水资源的利用具有重要的实际应用价值和理论意义.