【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于寒區巖土工程數值仿真方法，涉及一種考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法。
技術介紹
1、多年凍土和季節性凍土區的面積約占地球面積的50％，我國永久性凍土和季節性凍土區面積占國土面積的70％以上，且我國巖土凍融區主要分布在高緯度、高海拔地區。巖土體凍融作用極易引起的地面沉陷、路基變形、房屋開裂、坡體滑塌、泥石流等頻發災害，嚴重威脅著人們生命財產安全。對巖土體的凍融作用進行研究，對巖土凍融區的工程穩定性和安全性進行分析，這對于工程師和科研工作者既是挑戰又是機遇。
2、巖土體的凍融涉及低溫環境下的復雜水-熱-力(thm)三場耦合問題，且其中水-冰相變起著主導作用。針對巖土低溫凍融問題，除了進行有關的凍融室內試驗、模型試驗、理論分析外，提出一個合理的、簡單的、實用的數值仿真方法也是必要的。數值仿真技術素有“萬能試驗機”之稱，相關學者對巖土體凍融仿真做了一些研究。
3、劉泉聲等[1,2]從單裂隙入手，采用等效熱膨脹系數模擬裂隙凍脹荷載，運用裂隙凍脹熱-力耦合模型分析裂隙附近應力場分布。徐彬等[3]也從單條裂隙入手，將裂隙簡化為帶裂紋半無限板分析模型，分析降溫對巖石物理力學參數的影響，探求降溫裂隙擴展機制。薛孌鸞[4]建立裂隙巖體滲流-傳熱耦合的復合單元模型，考慮了溫度對流體運動黏度的影響和裂隙中流體與相鄰巖塊間滲流-傳熱過程以及兩者間的滲流量和熱量交換。白青波等[5]基于非飽和土滲流和熱傳導理論，建立凍土水-熱耦合求解微分方程，對comsol軟件進行二次開發，實現凍土溫度場和水分場全耦合數值模擬。何敏
4、學者們在thm耦合數值仿真方面做了很多研究，部分也考慮了低溫下的水冰相變問題，但對于水-冰相變、冰-水相變、冰水兩相態臨界共存、時間-溫度-參數-thm耦合演變等問題未完全考慮，且分析方法極為繁雜、不易理解。對于一般的工程人員來說不具有操作性，難以真正服務于實際凍土工程建設與發展。因此，本專利技術提出了一種考慮水冰相變的水熱力三場耦合的簡便分析方法，來更好地服務實際凍土工程和相關科學研究。
5、參考文獻：
6、[1]劉泉聲，黃詩冰，康永水，等.低溫凍結巖體單裂隙凍脹力與數值計算研究[j].巖土工程學報，2015，37(9)：1572–1580.
7、[2]劉泉聲，康永水，劉小燕.凍結巖體單裂隙應力場分析及熱–力耦合模擬[j].巖石力學與工程學報，2011，30(2)：217–223.
8、[3]徐彬，閆娜，李寧，等.溫降對液化石油氣儲庫圍巖裂隙開裂影響的數值分析[j].巖石力學與工程學報，2011，30(4)：718–726.
9、[4]薛孌鸞.裂隙巖體滲流–傳熱耦合的復合單元模型[j].巖土力學，2016，37(1)：263–268.
10、[5]白青波，李旭，田亞護，等.凍土水熱耦合方程及數值模擬研究[j].巖土工程學報，2015，37(增2)：131–136.
11、[6]何敏，李寧，高煥煥，等.帶相變瞬態溫度場問題的擴展有限元解析[j].冰川凍土，2016，38(4)：1044–1051.
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，解決了現有技術中存在的水-冰相變轉換及水、冰兩相共存的問題，以及時間-溫度-參數-thm耦合演變分析復雜、難度大的問題。
2、本專利技術所采用的技術方案是，考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，具體按照以下步驟實施：
3、步驟1、基于水冰凍融過程、水冰相變能量守恒方程，建立水冰相變簡便計算方法；
4、步驟2、基于三場耦合解析理論及串并聯新思路，建立水熱力三場串并聯的耦合簡便計算方法；
5、步驟3、聯合步驟1得到的水冰相變計算方法和步驟2得到的三場耦合計算方法，建立含水冰相變的三場耦合計算方法。
6、本專利技術的特點還在于：
7、步驟1具體按照以下步驟實施：
8、步驟1.1、基于水冰相變原理，劃分水冰凍融過程階段；
9、步驟1.2、基于flac3d的內置的無相變耦合方法與缺陷，建立適用于flac3d的含水冰相變的完全能量守恒方程；
10、步驟1.3、基于步驟1.1得到的水冰凍融過程階段和步驟1.2得到的含水冰相變能量守恒方程，建立水冰相變簡便計算方法。
11、步驟1.1中的水冰相變原理具體為：在水冰相變過程中，系統溫度保持在冰點附近，巖石基質的溫度不高于或不低于巖水冰系統的溫度，即在有效凍結溫度范圍內，由水冰相變引起的潛熱的釋放或儲存被由外部環境溫度的冷卻或升溫引起的系統溫度的降低或增加所抵消。
12、步驟1.1中的水冰凍融過程階段具體為：凍結階段的水-冰相變之前的冷卻階段、過冷階段、水-冰相變階段、水-冰相變后的冷卻階段和融化階段的冰-水相變之前的升溫階段、冰-水相變之前的階段、冰-水相變階段、冰-水相變后的升溫階段。
13、步驟1.2中的flac3d的內置的無相變耦合方法與缺陷具體為：flac3d軟件包僅可進行無相變的水熱力完全彈性耦合的巖土工程問題的模擬分析，關于相變的彈塑性問題需要二次開發。
14、步驟1.3中的水冰相變簡便計算方法具體為：將能量守恒方程中的潛熱項用系統溫差引起的能量變化項所等代，實現單元體相變能量的存儲與釋放，并能完全實現單元體的水-冰、冰-水雙向相變累積能量連續性。
15、步驟2具體按照以下步驟實施：
16、步驟2.1、基于能量守恒與熱傳導方程、動量平衡方程、流體質量平衡方程、流體流動方程，建立三場耦合解析理論相變能量轉換方法；
17、步驟2.2、基于溫度場、滲流場、應力場的各自的計算方法，將其在時間子步內進行串并聯，建立簡單thm耦合計算方法；
18、步驟2.3、基于步驟2.1得到的三場耦合解析理論推論及步驟2.2的thm三場串并聯新思路，建立簡便的水熱力三場耦合計算方法。
19、在步驟2.3得到的水熱力三場耦合計算方法的計算過程中，需要將時間子步δt設置的足夠小，并且三場開關依次打開、閉合，確保時間子步δt內水熱力三場均達到平衡態。
20、步驟3具體按照以下步驟實施：
21、步驟3.1、分別將步驟1得到的水冰相變簡便算法、步驟2得到的三場耦合簡便算法等模塊函數程序化；
22、步驟3.2、添加輔助的單元溫度實時采集函數模塊、單元參數實時采集與賦值函數模塊，超級循環計算函數模塊；
23、步驟3.3、將水冰相變模塊嵌入到三場耦合計算模塊中，并聯合其它輔助的函數模塊，建立完全的含水冰相變的三場耦合計算程序。
24、步驟3.2中的單元溫度實時采集函數模塊具體為：對整個模型的節點溫度進行實時遍歷，單元溫度取各單元所含節點的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：
2.根據權利要求1所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1具體按照以下步驟實施：
3.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.1中的水冰相變原理具體為：在水冰相變過程中，系統溫度保持在冰點附近，巖石基質的溫度不高于或不低于巖水冰系統的溫度，即在有效凍結溫度范圍內，由水冰相變引起的潛熱的釋放或儲存被由外部環境溫度的冷卻或升溫引起的系統溫度的降低或增加所抵消。
4.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.1中的水冰凍融過程階段具體為：凍結階段的水-冰相變之前的冷卻階段、過冷階段、水-冰相變階段、水-冰相變后的冷卻階段和融化階段的冰-水相變之前的升溫階段、冰-水相變之前的階段、冰-水相變階段、冰-水相變后的升溫階段。
5.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.2中的FLAC3D的內置的無相變耦合方法與缺陷具體為：FLAC3D軟
6.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.3中的水冰相變簡便計算方法具體為：將能量守恒方程中的潛熱項用系統溫差引起的能量變化項所等代，實現單元體相變能量的存儲與釋放，并能完全實現單元體的水-冰、冰-水雙向相變累積能量連續性。
7.根據權利要求1所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟2具體按照以下步驟實施：
8.根據權利要求7所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，在步驟2.3得到的水熱力三場耦合計算方法的計算過程中，需要將時間子步Δt設置的足夠小，并且三場開關依次打開、閉合，確保時間子步Δt內水熱力三場均達到平衡態。
9.根據權利要求1所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟3具體按照以下步驟實施：
10.根據權利要求9所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟3.2中的單元溫度實時采集函數模塊具體為：對整個模型的節點溫度進行實時遍歷，單元溫度取各單元所含節點的溫度的平均值；
...【技術特征摘要】
1.考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：
2.根據權利要求1所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1具體按照以下步驟實施：
3.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.1中的水冰相變原理具體為：在水冰相變過程中，系統溫度保持在冰點附近，巖石基質的溫度不高于或不低于巖水冰系統的溫度，即在有效凍結溫度范圍內，由水冰相變引起的潛熱的釋放或儲存被由外部環境溫度的冷卻或升溫引起的系統溫度的降低或增加所抵消。
4.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.1中的水冰凍融過程階段具體為：凍結階段的水-冰相變之前的冷卻階段、過冷階段、水-冰相變階段、水-冰相變后的冷卻階段和融化階段的冰-水相變之前的升溫階段、冰-水相變之前的階段、冰-水相變階段、冰-水相變后的升溫階段。
5.根據權利要求2所述的考慮水冰相變的水熱力三場耦合分析方法，其特征在于，步驟1.2中的flac3d的內置的無相變耦合方法與缺陷具體為：flac3d軟件包僅可進行無相變的水熱力完全彈性...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李國鋒，李寧，何明明，何敏，白越，
申請(專利權)人：西安理工大學，
類型：發明
國別省市：
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