岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及数值模拟方案.pptx

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1、会计学1岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及数值模拟方案数值模拟方案COMSOL 软件简介软件简介第1页/共41页COMSOL 软件介绍软件介绍第2页/共41页三场耦合简介三场耦合简介n n三场耦合最早的使用在垃圾场填埋中。垃圾填埋涉及到多场耦合作用。包括：温度场 渗流场 化学场 固结效应第3页/共41页三场耦合模型简介三场耦合模型简介在1976年，有Hardin首先把三场耦合应用在冻土路基的研究中。对三场耦合模型目前的发展情况和存在的问题都进行了阐述下面对面前的工作做简单的回顾。n n对季节性冻土区路基水热力三场耦合的数学模型中，包含温度场、水分场、应力场

2、。n n三场耦合模型：第4页/共41页三场耦合模型三场耦合模型三场耦合模型三场耦合模型n n温度场n n边界条件：定温边界、对流边界、辐射边界。第5页/共41页第6页/共41页第7页/共41页温度场边界条件温度场边界条件n n所以，可以看出在空气对流和热辐射确实可以带来短时间的温度变化。冻土路基因为暴露在空气中，最理想的边界条件应选取与空气的对流边界和阳光的辐射边界。n n但是这两种边界的随机性比较强，也不够稳定，都是短时间效果比较强。单在一个冻融周期内，大时间跨度下考虑以平均温度作为边界条件的定温边界比较合适。第8页/共41页水分场水分场n n水分场一般分为渗流场和流体场。n n通常描绘水分

3、场的方程有：布莱克曼方程、理查德方程、达西渗流定律。第9页/共41页水分场水分场n n通常冻土中水分的迁移被认为是和饱和土中水分的迁移模式相类似。所以，在模型中，选用达西渗流定律。式中：v为渗流速度；K为岩土的渗流系数 J为水势梯度第10页/共41页水分场水分场n n再未考虑相变情况下的水分场控制方程。第11页/共41页应力场应力场n n应力场是作为冻土路基是否破坏的最直接的表现。是三场耦合计算模型中揭示路基病害机理的关键，也是冻土路基抗冻害设计的一个前提。n n但由于影响因素众多，物理过程复杂。需要做如下简化：n n应力场假设：n n1、路基为各向均质同性。n n2、土体中土颗粒与冰颗粒不可

4、压缩，土体为线弹性本构。n n3、路基土体只受重力和热膨胀力作用。第12页/共41页应力场应力场n n控制方程n n D:弹性矩阵n n a：热膨胀系数n n T：温度n n根据后面的计算土体在未冻结的情况下温度变化的膨胀很小，约有零点几毫米。n n所以，主要考虑的还是相变引起的热膨胀第13页/共41页介绍几个模型介绍几个模型n n在多孔介质中，水热耦合作用下，土中水分的迁移和温度场的分布模型。n n选取矩形二维土箱第14页/共41页温度引起的渗流场流动温度引起的渗流场流动第15页/共41页流速场第16页/共41页温度场第17页/共41页水分迁移第18页/共41页模型建立模型建立n nCOMS

5、OL建模过程n n首先，选择维度n n其次，选择合适的物理场第19页/共41页模型建立模型建立第三步，选择求解方式瞬变含有时间关联项T稳态不含有时间关联项第20页/共41页模型建立模型建立n n第四步，对全局参数进行设置第21页/共41页冻土路基热冻土路基热-力耦合模型力耦合模型n n热力耦合模型n n目前没有考虑相变和水分场的影响，土体目前采用各向均匀同质。n n模型建立路基矩形与梯形相结合的几何模型。长75米，深10米，路基高5米。第22页/共41页冻土路基温度场冻土路基温度场n n温度场控制方程，参考时间项控制方程。第23页/共41页边界条件边界条件n n根据前面对边界条件的介绍，定温边

6、界。n n赖远明院士给出根据年平均气温拟合的正弦函数温度公式n n根据长春地区年平均气温，n nT0取-5.4度，即全年的平均气温。n ng（t）为逐年升温函数，通常去0.022度，单位为年n nA取11.5度，即测量当日气温。选取8月20日为基准日，其中t的单位为旬，即10天。第24页/共41页温度拟合值温度拟合值拟合温度值拟合温度曲线第25页/共41页温度场边界条件温度场边界条件n n单位的转化。COMSOL单位是S,需要对单位进行转换，并改写成COMSOL格式。第26页/共41页应力场模型应力场模型n n本构关系选取弹性本构。第27页/共41页边界条件边界条件三边固定边界、顶部自由边界。

7、初值：考虑重力影响。第28页/共41页求解求解n n计算步长n n由于已旬为单位。n n总计计算一年，总计36旬n n每一旬输出一个结果。n n计算了2年第29页/共41页计算结果计算结果温度场变化第30页/共41页温度场变化曲线温度场变化曲线路基中心点，温度变化曲线第31页/共41页应变曲线应变曲线应变曲线第32页/共41页应变曲线应变曲线路基顶面中心点应变曲线第33页/共41页小结小结n n由于没有考虑相变的影响，路基考虑为弹性本构。n n所以，结构呈现很好的线性曲线。但，不考虑相变的影响，n n土体的温度热膨胀应变不大。n n下一步工作n n在模型中加入水分场并加入相变变化。n n把模型更加细化，路基土层分层建立，设置不同材料参数。n n结合前期观察的冻土数据进行比较。n n模型建立完成后，也可以考虑在模型上加载汽车动荷载。第34页/共41页冰水相变模型冰水相变模型选取一个冰柱第35页/共41页伴随相变的温度变化曲线会进一步把相变融入到模型中第36页/共41页第37页/共41页基坑开挖基坑开挖第38页/共41页COMSOL优劣简介优劣简介n n优势n nCOMSOL的特点就是多场耦合的计算。n n核心是解偏微分方程。n n计算速度快n n不足：后处理能力稍差。不能像ABAQUS一样，建模后可以对模型任意后处理分析。第39页/共41页希望各位多多批评指正谢谢第40页/共41页