饱和正冻土水热力耦合模型的改进

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。     

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。     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程,研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律,建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念,建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型,提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力,并能反映冻胀融缩的变形特点,为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。     

高放废物工程屏障的热–水–力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热–水–力耦合作用分析的综合模型。分析考虑多孔介质的三相(固、液、气)和三类(矿物、水分、空气)模型，该模型是根据控制方程、本构关系和平衡条件来建立的；并提出用于模拟高放废物地下处置体系附近场地性状的热–水–力耦合分析通用程序。热–水–力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去。通过试验结果的验证，得出一些关于热–水–力方面的重要结论。     

饱和冻土水热力耦合模型解析及验证

在饱和冻土多孔多相介质理论构架的基础上,通过引入Clapeyron方程描述温度梯度对冻结区水分迁移影响,并结合寒区工程的实际特点,对数学耦合模型中的应力平衡方程、连续性方程、能量方程进行了适当的简化,从而建立了实用化的饱和冻土温度场、水分场、变形场耦合分析的数值模型。据此开发了能够反应各种外因（外载、温度）作用下土体多场耦合机制的有限元分析程序,利用研发的程序对经典试验进行了分析,初步验证了模型及分析程序的可行性与合理性,为模型的工程应用奠定了基础。     

高放废物工程屏障的热-水-力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热-水-力耦合作用分析的综合模型，分析考虑多孔介质的三相（固，液，气）和三类（矿物，水分，空气）模型，该模型是根据控制方程，本构关系和平衡条件来建立的，并提出用于模拟高放废物地下处置体系和附近场地性状的热-水-力耦合分析通过程序。热-水-力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去，通过试验结果的验证，得出一些关于热-水-力方面的重要结论。     

两种不混溶流体饱和岩石中弹性波的传播

由孔隙介质多相渗流力学和连续介质理论可知，当多孔介质的孔隙中同时存在两种不混溶流体时，可以通过3个运动方程、2个渗流连续方程以及相应的物性方程来描述其动力特性。基于此，推导并求解了两种不混溶流体饱和多孔介质中全频域波动方程。波动方程推导过程不仅考虑了固体骨架、固体颗粒、不同孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合，还考虑毛管压力、束缚饱和度及残余饱和度的影响，所以该模型具有较广泛的适用性。研究结果表明，由两种不混溶流体饱和的多孔介质中，同时存在3种压缩波和1种剪切波，各种波的速度和衰减特性将随着频率和饱和度的改变而发生急剧变化。另外，还将此模型的计算结果与已有文献中的试验数据和理论结果进行对比。     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

饱和度对多孔介质中热–水–力耦合响应的影响

以湿-热弹性理论为基础,给出了非饱和多孔介质中热能传输、水分迁移和变形的耦合控制方程,并与已有试验结果进行了对比。模型计算结果与试验结果吻合较好。针对多孔介质中初始饱和度随深度呈不同分布的三维非对称热源问题进行了热–水–力耦合响应分析。分析表明:当初始饱和度沿竖向的梯度变化较小时,重力作用下孔隙水首先由多孔介质上部向下部流动,继而在温度荷载作用下产生回旋流动。当竖向梯度变化较大时,基质吸力作用下孔隙水先由饱和度较高的底部流向饱和度较低的顶部,然后产生回旋流动,且回旋中心位置随竖向梯度的减小逐渐向多孔介质中心位置靠近。     

冻土路基应力变形数值模型

冻土路基中水、热随气候的变化是不均匀的 ,由此引起的土性变化也是不均匀的 ,土性的不均匀变化导致路基不均匀变形 ,当路基中的不均匀变形超过容许值时 ,路基便产生破坏 ,冻土路基土性的动态变化及由此引起的变形差异 ,是冻土路基设计中应注意的关键问题。基于此 ,在现有土力学弹塑性理论和流变理论的基础上 ,模拟水、热及土性的动态变化 ,建立了冻土路基应力及变形的二维数值模型 ,模型考虑了冻土的流变变形、自身体积变形和瞬时变形 ,重点考虑了土性变化情况下土的流变变形和瞬时变形特征     

饱和土水热耦合分离冰冻胀模型研究

针对饱和土一维冻结过程中的冻胀发展过程,在已有的描述透镜体生长过程的水热耦合模型的基础上,建立了水热耦合分离冰冻胀模型。利用固体表面水膜的热力学理论分析了冻土中未冻水膜在相界面上的平均分离压力,指出当该压力大于土层破坏的临界压力时,冰透镜体产生;以活动透镜体底端将土柱划分为主动区与被动区,主动区过程采用透镜体生长的水热耦合模型描述,而被动区为近似导热过程,由此建立了完整冻胀模型;提出了透镜体的分离冰生长方式,并与刚性冰生长方式进行了对比,阐述了本文模型与已有的各类模型之间的联系。采用有限容积法对模型进行了数值计算,与Konrad的3组试验进行了对比,结果表明模型很好地反应了土体冻结过程中温度场及冻胀的发展过程。     

Benchmarking model for the ongoing commissioning of the refrigeration systemof an indoor ice rink

This paper proposes the development of the benchmarking model for the ongoing commissioning of the operation of the refrigeration system of an indoor ice rink. The paper presents (1) the development of models for chillers, ice-concrete slab and controller, (2) the training phase in which the parameters of the benchmarking model are identified based on measurements under normal operating conditions, and (3) the comparison between measured and predicted energy performances. The proposed approach for the development of a benchmarking model can be implemented as application software in the Building Energy Monitoring System of any ice skating rink, if measurements of relevant independent variables are available.     

准饱和正冻土水热力耦合模型的扩展有限元程序研发

针对冻土冻融过程中存在移动相变界面及材料分区不断变化的特点,基于已建立的能全面地描述冻土的水、热、力与变形实际状态的准饱和冻土耦合模型,推导土颗粒、水和冰颗粒的温度场、变形场及水分场的扩展有限元解析格式,构建水热力相互作用在程序中实现的具体方法,开发一款能够为实际冻土工程服务的耦合分析平台3GEXFEM,利用程序对Fukuda系列试验进行数值模拟,分析得到的温度场、水分场与变形场与试验结果较一致,验证了程序的合理性和先进性。此外,基于程序系统地研究不同环境条件:上覆压力、温度梯度、变温模式、温变速率对冻土冻结过程中水热力耦合的影响,为模型及程序的工程应用奠定了基础。     

浅析相变材料储能在空调中的应用前景

概述了相变材料储能在空调系统中的应用前景，分述了相变材料蓄冷装置在空调蒸发器侧，冷凝器侧，空气处理机内以及其它方面的应用状况。阐述了相变材料储能装置的优点，分析了相变储能方式与冰蓄冷，水蓄冷，蓄热方式的不同之处，并指出大规模使用这种储能装置，会带来可观的节能效益和环境效益。     

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明：试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。     

Prediction of yearly energy requirements of indoor ice rinks

A model of the transient heat transfer between the ground under and around the foundations of an indoor ice rink and the brine circulating in pipes embedded in the concrete slab under the ice has been coupled with a previously developed model calculating heat fluxes towards the ice by convection, radiation and phase changes. Subroutines calculating the energy consumption for heating and humidifying (or cooling and reheating) the ventilation air have also been added to the model. The resulting simulation tool has been used to calculate monthly refrigeration loads and energy consumption by the ventilation system, the lights, the brine pump, the radiant heating system of the stands and the underground electric heating used to prevent freezing and heaving for four North American cities with very different climates. Correlations expressing the energy consumption of the ventilation air stream in terms of the sol-air temperature are formulated.     

Water and salt phase change in sodium sulfate soil based on differential scanning calorimetry

Strong salt expansion and frost heave are induced to make the infrastructure in the salted region damaged with water or salt phase change at low temperature. Laboratory test based on differential scanning calorimetry is used to investigate salt and water phase transformation and their crystallization mechanism in sodium sulfate soils and solutions. During the experimental process, crystallization heat release, crystallization period and supercooling are measured. According to the conservation principle of mass and heat, salt and ice crystallization are separated, and unfrozen water content is calculated at different temperatures. Moreover, variations of unfrozen water content, as well as the supercooling degree of sodium sulfate soils with different size are compared and analyzed based on heterogeneous nucleation theory. The results demonstarte occurance of the ice crystallization before salt crystallization in minor soil samples; however, salt crystallization appears first in pure solution at high concentration. The interval at which the ice and salt crystallization begin decreases as the salt content increases, and the supercooling decreases as the salt content or sample size increases. Additionally, water freezing in small soil samples is more difficult than that in larger soil samples, and the unfrozen water content increases as the salt content or sample size decreases.     

基于能量方法的结构性土体损伤演化规律研究

结构性土体的力学特性具有明显的损伤破损效应。根据岩土材料复合体损伤理论,结构性土体可看作是由结构相和损伤相各占一定比例的复合材料。结构性土体的损伤过程本质上是土体中结构相的变形能向相变损伤耗散能转化,相变损伤耗散能促使结构相退变为损伤相的损伤发展过程。从任意方向截面上看,结构相表面损伤后即变为损伤相的表面。基于此认识,把结构性土体的损伤变量与结构相、损伤相所占的截面面积联系起来,从而与经典连续介质损伤力学中关于损伤变量的定义一致。将土体结构的损伤引起的外力多做的那部分功定义为相变损伤耗散能,并将此引入到土体的能量平衡方程中。通过对结构性土代表体元的能量分析,推导了基于结构损伤耗能条件下的损伤演化方程,给出了模型参数的确定方法。最后将试验结果和本文方法的结果进行对比,表明本文方法能较好反映土体损伤演化规律。     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

正冻粉质粘土与介质间冰膜形成机理的试验研究

为研究冻结过程中粉质粘土与不同介质间的冰膜特性及冰膜的形成机理,本文采用单向冻结试验仪及低温试验箱,对混凝土-土、铝-土、不锈钢-土进行了室内单向冻结试验。试验进行考虑了不同冻结温度差、初始含水量、干密度、冻结时间等因素下的15组试验工作,测试了试验在封闭系统中单向冻结条件下的冰膜、温度分布及水分迁移特性。试验结果表明,不同材料与土接触处有冰膜产生,冰膜的实测厚度在0.30~3.40 mm之间,由实测冰膜质量计算得到的冰膜密度小于纯冰的密度,约为0.35~0.45 g/cm³。初始含水量、冻结温度差、冻结时间的增大均有助于冰膜厚度的增大,也可促使水分迁移量的增大。干密度对水分迁移具有一定的抑制作用。