非飽和黃土水熱耦合數(shù)值模擬研究.pdf

1、非飽和黃土通常水分含量較低，在研究水運移過程中，往往忽略了氣態(tài)水遷移的作用。中國西北地區(qū)黃土地下水位很低，但諸如城市和機場硬化路面以下土層含水率卻較高，這種現(xiàn)象已經(jīng)不能使用經(jīng)典的熱和液態(tài)水遷移理論來解釋。通過分析文獻資料和揭示現(xiàn)場“鍋蓋”效應(yīng)現(xiàn)象的研究需要，提出了一種用于模擬非飽和黃土中水分和熱耦合的新思路，該理論認為水分遷移受到溫度梯度和基質(zhì)吸力梯度的雙重作用，其不僅考慮了土中液態(tài)水的遷移和熱量的傳遞，還考慮了液態(tài)水和氣態(tài)水之間的相變

2、轉(zhuǎn)換（蒸發(fā)和冷凝）及相變潛熱和顯熱。通過建立非飽和黃土模型和水分遷移質(zhì)量和能量守恒方程，改變初始條件和邊界溫度，并使用數(shù)值軟件Comsol Multiphysics對其進行模擬，得出了氣態(tài)水和液態(tài)水在水分遷移過程中的運移基本規(guī)律和相對貢獻大小及其條件，以及在不同溫度梯度、溫度水平、初始含水率、遷移時間和土水特性參數(shù)等情況下，水分分布變化規(guī)律。通過研究得出如下結(jié)果：在溫度梯度作用下，土體中的水分主要以氣態(tài)水分形式由高溫端向低溫端運移，當氣

3、態(tài)水在低溫端凝結(jié)成液態(tài)水時，水分又會在吸力梯度作用下以液態(tài)水形式向高溫端運移；土體模型（20厘米）中溫度場在10小時后就基本達到了穩(wěn)定，溫度梯度不再變化；隨著土體溫度梯度、溫度水平和遷移時間的逐漸增大，高（低）溫端水分遷出（入）量越大，土中含水率增量為0的臨界點距高溫端越遠，水分流失區(qū)域越大，總水分遷移量也越大；隨著土體初始含水率逐漸增大，高溫端水分遷出量逐漸增大；而低溫端水分遷入量先增大，當含水率達到某一值時，氣態(tài)水的遷移通道越來越小

4、，水分遷入量減小，水分流失區(qū)域逐漸減小，因此，土體中總水分遷移量是先增大后減小，土中含水率增量為0的臨界點距高溫端越近，臨界點附近曲線變化趨勢越發(fā)突變。隨著與進氣值有關(guān)的參數(shù)的不斷增大，高（低）溫端水分遷出（入）量越大，土中含水率分布曲線在高（低）溫端處越陡，含水率增量為0的臨界點距高溫端越近，臨界點附近曲線變化趨勢較大；隨著與土水特征曲線減濕斜率有關(guān)的參數(shù)的逐漸增大，高（低）溫端水分遷出（入）量越小，土中含水率分布曲線越平緩，含水率增