[发明专利]一种连续-非连续介质热传导的二维数值模拟方法及系统

说明书

本发明提供了一种连续‐非连续介质热传导的二维数值模拟方法及系统，首先将连续‑非连续介质进行网格划分，在这些实体单元的网格的公共边上插入节理单元或者界面单元，或者不插入，标记节理单元、界面单元或实体单元的公共边；一个实体单元内的温度分布根据实体单元节点的温度进行插值来表示，实体单元和相邻实体单元通过节理单元或者界面单元或实体单元的公共边发生热量传递；根据实体单元内的热传导和实体单元间的热量交换计算节点的总热流量；根据有限差分积分策略，以节点的总热量不断更新节点的温度，最终完成连续‑非连续介质的热传导。本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案操作简单，适用性和实用性强。

技术领域

本发明涉及能源环境、岩土工程领域，尤其涉及一种连续-非连续介质热传导的二维数值模拟方法及系统。

背景技术

连续-非连续介质热传导问题涉及地热开采、石油天然气开采、核废料处置等工程应用问题。随着计算机硬件的发展及计算仿真技术的发展，采用数值模拟方法逐渐成为传热分析计算的有力工具。目前，求解传热问题的主要计算方法是有限元和有限差分方法两种。这两种方法的基本原理是，将连续体划分网格，将整个连续体温度的求解转变为单元节点温度的求解。对于连续体的传热分析而言，这两种方法均有很好的适用性，可以处理各种边界情形和不同条件的传热问题，但对于连续-非连续介质，因为这两种方法没有考虑到裂缝对传热的阻隔作用，尤其是当介质中存在裂缝的动态扩展时，裂缝对传热的阻隔作用较大，更应该考虑到裂缝对传热的阻隔作用，所以有限元和有限差分这两种方法难以处理传热分析问题，而在工程和自然界中，有很多介质(如岩体)是连续-非连续介质，因此，亟需一种方法能够处理连续-非连续介质的传热分析问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种连续-非连续介质热传导的二维数值模拟方法及系统，一种连续-非连续介质热传导的二维数值模拟方法及系统，主要包括以下步骤：

S101：对连续-非连续介质区域进行网格划分；网格划分所形成的网格为实体单元，网格的各个顶点作为节点；

S102：判断是否在网格间的公共边上插入了节理单元或者界面单元？若是，则到步骤S103，若否，则到步骤S104；公共边分为节理和裂隙非连续面处公共边和连续面处公共边；

S103：将插入在包括节理和裂隙非连续面处公共边的节理单元或者界面单元标记为断裂单元，将插入在连续面处公共边的节理单元或者界面单元标记为非断裂单元，然后到步骤S105；

S104：将位于包括节理和裂隙非连续面处的公共边标记为断裂边，将连续面处的公共边标记为非断裂边，然后到步骤S105；

S105：通过所述断裂单元或者非断裂单元、断裂边或者非断裂边，实体单元内发生热传导，相邻实体单元间发生热量传递；

S106：根据实体单元内的热传导和相邻实体单元间的热量传递，分别计算各个节点的总热流量；

S107：根据有限差分积分策略，利用计算得到的所述各个节点的总热流量分别不断更新对应节点的温度，最终完成连续-非连续介质区域的热传导。

进一步地，在步骤S106中，计算任意一节点的总热流量时，断裂单元和断裂边的换热系数需要乘以一个折减系数；根据相邻实体单元间的温度差和断裂单元或断裂边的乘以折减系数的换热系数，计算得到实体单元间经过所述任意一节点传递的热流量；根据实体单元的所有节点的温度，求得实体单元内的温度梯度，然后求得实体单元内流入所述任意一节点的热流量；将上述经过所述任意一节点传递的热流量和流入所述任意一节点的热流量相加得到所述任意一节点的总热流量。

进一步地，在步骤S107中，所述任意一节点的温度可按照以下公式不断进行更新：