基于格子Boltzmann方法的飽和土壤滲流與傳熱數(shù)值研究.pdf

1、地?zé)嵩礋岜眉夹g(shù)由于其良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，近年來發(fā)展迅速。在地埋管換熱器與土壤換熱過程中，地下水滲流影響不可忽視，且熱滲耦合機(jī)制也較為復(fù)雜。在以往研究中，大多針對宏觀方面開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。本文嘗試從微觀角度出發(fā)，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法以揭示土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化及其熱滲耦合規(guī)律。
　　本文首先引入了不可壓耦合雙分布函數(shù)格子Boltzmann模型，介紹了其基本原理和邊界處理格式，同時(shí)借助封閉方腔自然對流驗(yàn)證了選取模型和邊界處理

2、的可行性和準(zhǔn)確性。其次本文通過隨機(jī)四參數(shù)生成法(QSGS)重構(gòu)得到了與真實(shí)土壤形態(tài)相近的二維飽和多孔介質(zhì)模型，通過調(diào)整模型參數(shù)之間的關(guān)系可以表征出多孔介質(zhì)更多細(xì)節(jié)信息。在此基礎(chǔ)上，從孔隙尺度角度出發(fā)，在無滲流純導(dǎo)熱情況下對有效導(dǎo)熱系數(shù)同多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系作了探討。最后對飽和土壤滲流與傳熱開展了相關(guān)數(shù)值模擬研究。在模擬中分別針對不同滲流壓差、孔隙率、土壤固相顆粒尺寸分布、溫度梯度方向?qū)釢B耦合特性影響進(jìn)行了詳細(xì)的討論，同時(shí)對土壤相關(guān)的

3、水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析。
　　數(shù)值模擬結(jié)果表明:(1)無滲流影響時(shí)，土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)隨著孔隙率增加而近似呈指數(shù)形式遞減，且關(guān)于土壤固相顆粒導(dǎo)熱系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系;對于同一孔隙率，土壤固相顆粒尺寸越小，有效導(dǎo)熱系數(shù)越大。(2)在有滲流時(shí)，土壤滲流速度與滲流壓差呈線性遞增關(guān)系，且隨著速度增加，土壤內(nèi)部傳熱機(jī)制逐漸由固液熱傳導(dǎo)占優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷α鲹Q熱為主，整個(gè)土壤內(nèi)部平均溫度上升速率減緩。(3)隨著土壤孔隙率的增加，土壤內(nèi)部孔隙間連通性變好，

4、滲流速度隨之增大;由于孔隙水與周圍固體骨架形成的液橋增加，接觸熱阻減小，加之滲流速度大幅度增加，滲流方向與導(dǎo)熱方向一致，對流換熱作用得到強(qiáng)化，導(dǎo)致土壤內(nèi)部溫度呈明顯上升趨勢。(4)在同一孔隙率和滲流壓差下，土壤固相顆粒尺寸較大時(shí)，多孔介質(zhì)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部流速突增情況，形成典型的優(yōu)先流效應(yīng)。隨著顆粒尺寸的減小，顆粒之間接觸更加緊密，生成隨機(jī)多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)增大，對流換熱系數(shù)減小，會(huì)造成傳熱過程中熱擴(kuò)散阻力增加，土壤內(nèi)溫度變化逐漸趨于平緩