土体导热系数经验模型研究及其应用
发布时间：2020-12-25 10:42
地表水与地下水的交换是水文学、环境科学、水文地质学、水资源管理等领域的重要研究热点,温度示踪法作为一种新的研究方法,被广泛应用于河流、洲滩等浅水地区的水文地质研究中。而土体导热系数作为流-热耦合模型的重要影响因子,是直接决定模型是否成功和准确的关键。本文在分析和总结国内外相关研究成果的基础上,提出新的导热系数模型,并基于新的导热系数模型构建参数非均质下河床、河岸带饱和-非饱和流-热耦合模型,最后结合野外试验,验证新的导热系数模型的适用性,探究饱和-非饱和河床、河岸带渗流场与温度场的时空分布规律,并进行相关性分析。主要研究成果如下:（1）基于土体的各物理基本参数,考虑有机质含量以及各粒组成分对形状因子的影响,提出一个新的导热系数经验模型,并利用新模型和其他9种模型对10种不同质地的土壤在不同含水率下的导热系数值进行计算。结果显示,相比于其他模型,新模型对各种土壤的模拟结果均较好,模型预测精度最高,性能最好,适用范围较广。（2）工程实例验证结果显示,相比于基于HYDRUS软件的Chung&Horton（1987）模型以及基于COMSOL Multiphysic s软件的Lu（200...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
2饱和-非饱和流-热耦合数学模型构建92饱和-非饱和流-热耦合数学模型构建2.1温度场对渗流场的影响机理水温以及土体温度对渗流场的影响主要取决于影响水的密度、动力粘度以及土壤孔隙度。温度降低，则水的粘滞性升高，土壤孔隙度降低；反之，温度升高，水的粘滞性降低，土体孔隙度增大。非饱和土体渗透系数可通过下式求得[69]：kgK（2-1）式中：K是土体渗透系数，m/s，主要影响要素包含2个，一个是土的渗透率，另一个是流体性质，即流体的密度和粘滞性等；ρ为液体密度，单位kg/m3；g是重力加速度，单位m2/s；μ为液体的动力粘度，单位Pas；k是土体渗透率，m2，是土体的固有属性，与流体性质无关，仅和土颗粒或孔隙的大小及其排列方式相关。依照物理化学手册[70]，通过多项式进行拟合，得到常态水的密度及动力粘度与温度关系如下[69]：TK15.413K15.273时，当6165134103724108457.3100791.9109042.8106454.4103604.10212.03799.1TTTTTTT（2-2）.TK75553K15.273时，当382107182.30031.04005.14661.838TTTT（2-3）在水利工程中，地下水温度一般在400°C之间，图2-1为500°C内水体密度与动力粘度值随温度的变化，从图中可以看出，温度对水体动力粘度影响显著，变幅较大，且动力粘度与水体密度均随温度升高而降低。这种差异会引起水的自然对流，对渗流产生一定的影响，应加以考虑。图2-1常态水密度以及动力粘度与温度的关系Fig.2-1Relationshipbetweentemperatureandnormalwaterdensityanddynamicviscosity
西安理工大学工程硕士专业学位论文10忽略温度对土体孔隙结构的影响，考虑其对水的动力粘度以及水体密度的影响，将式（2-1）中g称为流体因子，用f表示，其值主要受流体类型以及温度影响，通过式（2-2）和（2-3），拟合可得f与温度T满足下式[69]：010211975005383000)(℃T50℃2TTTf（2-4）上述拟合公式相关系数达到0.9998，能准确表示f随T的变化，其中f单位是1m-1s-1，绘制f（T）曲线，如图2-2所示，f随T增大而增大。图2-2流体因子f与温度（T）的关系Fig.2-2Relationshipbetweenfluidfactorfandtemperature(T)因此，式（2-1）可写为：Kf)()(kTT（2-5）当土体温度增加ΔT后，其渗透系数为:TTKT)()(kTf（2-6）渗透系数变化率为：5383000197500102119750010212042)()()()()()()(2TTTTTfTTfTfTKTKTTKT（2-7）假设土体的最初温度是15°C，ΔT为1°C时，则渗透系数的变化率β为0.02667，即K大致增长3%，由此可以看出，温度对土体K的影响非常显著。另外，土体中热量的传播会引起土中水分发生转移，即就是温度梯度又会导致水的流动，可通过下式描述[71]：TxyzTTTqDDDxyz（2-8）式中：为由Tq温度梯度所导致的流量；zyDDDx，，分别是、、zyx各方向上的流体扩散系
【参考文献】：
期刊论文
[1]潜流交换温度示踪方法研究进展[J]. 任杰,程嘉强,杨杰,程琳. 水科学进展. 2018(04)
[2]热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析[J]. 陈之祥,李顺群,王杏杏,夏锦红. 水利水电技术. 2017(05)
[3]硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型[J]. 冯瑞玲,蔡晓宇,吴立坚,张益铭. 中国公路学报. 2017(02)
[4]大坝下游河岸带冬夏季水热交换特征对比[J]. 刘东升,赵坚,吕辉. 水科学进展. 2017(01)
[5]城市河岸带夏季土壤表层温度的多时间尺度特征及其影响因素[J]. 郑潇柔,张娜. 中国科学院大学学报. 2016(06)
[6]基于土壤物理基本参数的土壤导热率模型[J]. 苏李君,王全九,王铄,王卫华. 农业工程学报. 2016(02)
[7]输水渠道冻胀离心模拟试验[J]. 张晨,蔡正银,黄英豪,徐光明,任国峰. 岩土工程学报. 2016(01)
[8]基于DTS的渗漏定量监测可行性试验研究[J]. 赵新铭,周勇,周柏兵,吴刚,谢雪锋,姚剑. 水电自动化与大坝监测. 2015(01)
[9]基于流-热耦合模型的土石坝渗流热监测研究[J]. 吴志伟,宋汉周. 岩土力学. 2015(02)
[10]基于分布式光纤测温技术的堤坝渗漏监测[J]. 何宁,丁勇,吴玉龙,周彦章,李登华,何斌. 水利水运工程学报. 2015(01)
博士论文
[1]光纤Bragg光栅传感技术用于工程结构安全监测的研究[D]. 孙曼.四川大学 2005
硕士论文
[1]大坝下游河岸带饱和—非饱和流热耦合模型及应用研究[D]. 张文兵.西安理工大学 2019
[2]基于Lu模型的土石坝温度场与饱和—非饱和渗流场耦合分析[D]. 唐友山.西安理工大学 2017
[3]渗流作用下饱和砂层多排孔冻结温度场发展规律研究[D]. 于友斌.中国矿业大学 2017
本文编号：2937494
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
2饱和-非饱和流-热耦合数学模型构建92饱和-非饱和流-热耦合数学模型构建2.1温度场对渗流场的影响机理水温以及土体温度对渗流场的影响主要取决于影响水的密度、动力粘度以及土壤孔隙度。温度降低，则水的粘滞性升高，土壤孔隙度降低；反之，温度升高，水的粘滞性降低，土体孔隙度增大。非饱和土体渗透系数可通过下式求得[69]：kgK（2-1）式中：K是土体渗透系数，m/s，主要影响要素包含2个，一个是土的渗透率，另一个是流体性质，即流体的密度和粘滞性等；ρ为液体密度，单位kg/m3；g是重力加速度，单位m2/s；μ为液体的动力粘度，单位Pas；k是土体渗透率，m2，是土体的固有属性，与流体性质无关，仅和土颗粒或孔隙的大小及其排列方式相关。依照物理化学手册[70]，通过多项式进行拟合，得到常态水的密度及动力粘度与温度关系如下[69]：TK15.413K15.273时，当6165134103724108457.3100791.9109042.8106454.4103604.10212.03799.1TTTTTTT（2-2）.TK75553K15.273时，当382107182.30031.04005.14661.838TTTT（2-3）在水利工程中，地下水温度一般在400°C之间，图2-1为500°C内水体密度与动力粘度值随温度的变化，从图中可以看出，温度对水体动力粘度影响显著，变幅较大，且动力粘度与水体密度均随温度升高而降低。这种差异会引起水的自然对流，对渗流产生一定的影响，应加以考虑。图2-1常态水密度以及动力粘度与温度的关系Fig.2-1Relationshipbetweentemperatureandnormalwaterdensityanddynamicviscosity
西安理工大学工程硕士专业学位论文10忽略温度对土体孔隙结构的影响，考虑其对水的动力粘度以及水体密度的影响，将式（2-1）中g称为流体因子，用f表示，其值主要受流体类型以及温度影响，通过式（2-2）和（2-3），拟合可得f与温度T满足下式[69]：010211975005383000)(℃T50℃2TTTf（2-4）上述拟合公式相关系数达到0.9998，能准确表示f随T的变化，其中f单位是1m-1s-1，绘制f（T）曲线，如图2-2所示，f随T增大而增大。图2-2流体因子f与温度（T）的关系Fig.2-2Relationshipbetweenfluidfactorfandtemperature(T)因此，式（2-1）可写为：Kf)()(kTT（2-5）当土体温度增加ΔT后，其渗透系数为:TTKT)()(kTf（2-6）渗透系数变化率为：5383000197500102119750010212042)()()()()()()(2TTTTTfTTfTfTKTKTTKT（2-7）假设土体的最初温度是15°C，ΔT为1°C时，则渗透系数的变化率β为0.02667，即K大致增长3%，由此可以看出，温度对土体K的影响非常显著。另外，土体中热量的传播会引起土中水分发生转移，即就是温度梯度又会导致水的流动，可通过下式描述[71]：TxyzTTTqDDDxyz（2-8）式中：为由Tq温度梯度所导致的流量；zyDDDx，，分别是、、zyx各方向上的流体扩散系
【参考文献】：
期刊论文
[1]潜流交换温度示踪方法研究进展[J]. 任杰,程嘉强,杨杰,程琳. 水科学进展. 2018(04)
[2]热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析[J]. 陈之祥,李顺群,王杏杏,夏锦红. 水利水电技术. 2017(05)
[3]硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型[J]. 冯瑞玲,蔡晓宇,吴立坚,张益铭. 中国公路学报. 2017(02)
[4]大坝下游河岸带冬夏季水热交换特征对比[J]. 刘东升,赵坚,吕辉. 水科学进展. 2017(01)
[5]城市河岸带夏季土壤表层温度的多时间尺度特征及其影响因素[J]. 郑潇柔,张娜. 中国科学院大学学报. 2016(06)
[6]基于土壤物理基本参数的土壤导热率模型[J]. 苏李君,王全九,王铄,王卫华. 农业工程学报. 2016(02)
[7]输水渠道冻胀离心模拟试验[J]. 张晨,蔡正银,黄英豪,徐光明,任国峰. 岩土工程学报. 2016(01)
[8]基于DTS的渗漏定量监测可行性试验研究[J]. 赵新铭,周勇,周柏兵,吴刚,谢雪锋,姚剑. 水电自动化与大坝监测. 2015(01)
[9]基于流-热耦合模型的土石坝渗流热监测研究[J]. 吴志伟,宋汉周. 岩土力学. 2015(02)
[10]基于分布式光纤测温技术的堤坝渗漏监测[J]. 何宁,丁勇,吴玉龙,周彦章,李登华,何斌. 水利水运工程学报. 2015(01)
博士论文
[1]光纤Bragg光栅传感技术用于工程结构安全监测的研究[D]. 孙曼.四川大学 2005
硕士论文
[1]大坝下游河岸带饱和—非饱和流热耦合模型及应用研究[D]. 张文兵.西安理工大学 2019
[2]基于Lu模型的土石坝温度场与饱和—非饱和渗流场耦合分析[D]. 唐友山.西安理工大学 2017
[3]渗流作用下饱和砂层多排孔冻结温度场发展规律研究[D]. 于友斌.中国矿业大学 2017
本文编号：2937494
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