[发明专利]基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法

说明书

本发明公开了一种基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法，包括以下过程：在COMSOL软件中构建河岸潜流带水热耦合模型，所述河岸潜流带水热耦合模型包括水流运动方程、热量运移方程和导热系数经验模型；利用COMSOL数学模块中的系数型偏微分方程对热量运移方程进行等效；导入河岸潜流带几何模型，对河岸潜流带几何模型进行网格剖分；计算得到河岸潜流带温度场。本发明基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法可以将多种导热系数经验模型耦合到水热耦合模型当中，从而得到最优的方案，在一定程度上可以提高河岸潜流带水热耦合模型的模拟精度。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法及系统。

背景技术

河岸潜流带是指河岸带内地表水与地下水之间相互作用的过渡区域，它是河流中物质能量循环和动植物栖息的重要场所，被誉为河流的“肝脏”。目前，河岸潜流带已成为多个学科研究的热点。

河岸潜流带与河流地表水交换过程时刻伴随着能量的传递和交换，因此，温度作为能量的直观载体，是能够反映交换过程时空变化的表征因子，其易于观测、无污染，作为天然示踪剂具有一定的优势。近年来，随着温度场与渗流场耦合机理研究的深入，对河岸潜流带的研究已经从传统的水文学及水动力学方法发展到温度示踪法。虽然关于利用室内或者野外温度示踪试验来研究河流相关问题很多，但是试验成本比较高，且缺乏有效的水热耦合模型来分析河岸潜流带水热动态变化。

土壤导热系数作为水热耦合模型中的关键参数，直接影响着模型模拟的精度。然而，在现有的耦合模型或者建模软件中都是假定土壤的导热系数为固定值。理论上来说这是不准确的，因为土壤的导热系数与土壤类型、粒径分布、土壤结构、孔隙度、饱和度和温度等因素有关，其中孔隙度和饱和度对它的影响最大。这对于河岸非饱和带的土体水热耦合研究而言显得尤为重要。尽管关于预测导热系数的经验模型已被广泛的提出，但是对于将导热系数经验模型考虑到水热耦合模型中的研究却鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法，解决了现有技术中在利用COMSOL软件对河岸潜流带水热运移过程进行模拟时不能够将导热系数经验模型考虑到水热耦合模型中的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法，其特征是，包括以下过程：

在COMSOL软件中构建河岸潜流带水热耦合模型，所述河岸潜流带水热耦合模型包括水流运动方程、热量运移方程和导热系数经验模型；

利用COMSOL数学模块中的系数型偏微分方程对热量运移方程进行等效；

导入河岸潜流带几何模型，并定义河岸潜流带土体水力参数、热性质参数和导热系数经验模型；

对河岸潜流带水热耦合模型进行边界条件设置；

对河岸潜流带几何模型进行网格剖分；

计算得到河岸潜流带温度场。

进一步的，所述水流运动方程为：

河岸潜流带水流运动方程采用Richard方程进行描述：