[发明专利]一种利用水热耦合数值模型模拟冻结加固工程实际情况的方法

说明书

本发明提供一种利用水热耦合数值模型模拟冻结加固工程实际情况的方法，包括步骤S1：建立耦合方程，其中；S2：以步骤S1的耦合方程为基础，使用有限元方法建立水热耦合数值模型。本发明建立的水热耦合数值模型，将渗流场与温度场相互耦合，考虑了水、热等多个因素的相互作用，考虑了流体运动和热传导以及可能出现的热源，能够准确地模拟出工程的实际情况。在具体的冻结加固工程中，利用该方法进行模拟计算后，得到模拟结果与实测数据结果非常接近。

技术领域

本发明涉及建筑过程的数值模拟技术领域，具体涉及一种利用水热耦合数值模型模拟冻结加固工程实际情况的方法。

背景技术

随着现代化建筑工程的发展，冻结加固技术在土木工程领域中得到了广泛应用。冻结加固工程是一种常见的地下工程加固方式，它通过在地下构筑物周围注入低温冷却液体，使周围土壤和岩石结冰，从而增强地下构筑物的稳定性。在冻结加固工程实施过程中，为了优化设计方案、预测工程效果以及指导现场施工，需要进行数值模拟。然而，在实际的冻结加固工程中，由于土体的复杂性和多变性，加之环境因素的影响，导致传统的力学模型往往难以准确描述土体与水分之间复杂的耦合过程，人们难以充分研究冻结过程的规律，以最大化减小冻结工法的负面影响，这给工程的设计、施工和改良带来了很大的不确定性。

为了解决这一问题，研究者们开始采用水热耦合数值模型来模拟冻结加固工程的实际情况。水热耦合数值模型是将水文学和热力学相结合的一种模型，可以有效地模拟冻结加固工程实际情况。目前，水热耦合数值模型已经成为冻结加固工程模拟的主要方法之一。

尽管水热耦合数值模型在冻结加固工程中具有很大的潜力，但是目前仍存在许多不足之处。其中，最主要的问题就是模拟结果与实测数据的误差较大。这主要是由于水热耦合数值模型本身存在的不确定性和局限性所导致的。此外，土体的复杂性和多变性也是导致模拟误差的一个重要原因。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用水热耦合数值模型模拟冻结加固工程实际情况的方法。

本发明技术方案如下：

一种利用水热耦合数值模型模拟冻结加固工程实际情况的方法，包括以下步骤：

S1：建立耦合方程：

其中，是温度；是流速；是等效导热系数；是热源项；是水的密度；是水的比热容；是时间，是哈密顿算子；是冻土层的深度；0.071为转换系数；

S2：以步骤S1的耦合方程作为建立水热耦合数值的基础，使用有限元方法建立水热耦合数值模型。

进一步的，等效导热系数的计算方程为：

为冻土含冰量；为冰的导热系数；为非冻土的导热系数。

进一步的，可以运用COMSOL有限元软件进行模拟。

与现有技术相比，本发明的有益成果在于：

本发明建立的水热耦合数值模型，将渗流场与温度场相互耦合，考虑了水、热等多个因素的相互作用，考虑了流体运动和热传导以及可能出现的热源，能够准确地模拟出工程的实际情况。在实践中，发明人对该方法进行了多次验证，在具体的冻结加固工程中，利用该方法进行模拟计算后，得到模拟结果与实测数据结果非常接近。这表明，水热耦合数值模型模拟能够有效地反映出工程的实际情况，可为技术人员提供可靠的参考依据。

本发明利用水热耦合数值模型模拟冻结加固工程实际情况的方法可以准确地反映出工程的实际情况，简化计算过程。

附图说明

图1：利用本发明方法模拟的结果与现场实测结果的对比。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明技术内容，下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例1