[发明专利]基于相似理论的模型冻土热参数计算方法

权利要求书

1.一种基于相似理论的模型冻土热参数计算方法，该方法基于原始场地土即原土的比热、导热系数随温度的变化关系，以及计算出的单位体积原土的潜热，结合原型与模型之间的几何尺寸、温度、土体密度物理参数的相似常数和温度场边界条件的相似准则，对模型土热物参数应满足的方程进行推导；包括以下步骤：

1)利用不同负温下所述原土的比热和导热系数，拟合得到该原土比热和导热系数随温度的变化关系，即：

C_p(T_p)＝A_pT_p²+B_pT_p+C_0p (1)

λ_p(T_p)＝D_pT_p²+E_pT_p+λ_0p (2)

式中：A_p、B_p、D_p、E_p均为拟合常数，其单位分别为kJ/(kg·℃³)、kJ/(kg·℃²)、W/(m·℃³)、W/(m·℃²)；λ_0p为原土0℃时的导热系数，W/(m·℃)；C_0p为原土0℃时的比热，kJ/(kg·℃)；T_p为原土体温度，℃；C_p为原土的比热，kJ/(kg·℃)；λ_p为原土的导热系数，W/(m·℃)；

利用公式(3)计算出相变区间内单位体积原土的相变潜热，具体公式为：

Q_p＝ρ_dLΔw (3)

式中：Q_p为单位体积原土潜热，kJ/m³；ρ_d为原土体的干密度，kg/m³；L为水的相变潜热，kJ/kg；Δw为相变区间内未冻水变化量；

2)根据原型与模型的几何尺寸缩比，确定几何相似常数C_l即a；若原型土密度为ρ_p，模型土密度为ρ_m，确定土体的密度相似常数C_ρ即为ρ_p与ρ_m的比值；若原型冷源温度为T_p，模型冷源温度为T_m，确定温度相似常数C_T即为T_p与T_m的比值；设定土体的比热相似常数C_C为b；根据原型土体的边界条件，结合边界条件相似准则，确定土体的导热系数相似常数C_λ为c；

3)根据步骤2)中所确定的物理量的相似常数，利用式(4)和式(5)分别计算得模型土的比热和导热系数随温度变化应满足的方程，具体公式为：

式中：C_T为温度缩比，Cc₀为土体比热缩比，C_λ0为导热系数缩比；T_m为模型土体的温度，℃；C_m为模型土的比热，kJ/(kg·℃)；λ_m为模型土的导热系数，W/(m·℃)；

利用式(6)计算得单位体积模型土的潜热，具体公式为：

式中：Q_m为单位体积模型土的潜热，Q_p为单位体积原土的潜热，kJ/m³；C_ρ为土的密度缩比，C_T为温度缩比，C_C0为土体比热缩比。