Компьютерное Моделирование

6
Энергообеспечение и энерготехнологии 146 УДК 631.48 Г.М. Квашнин, О.П. Квашнина, Т.П. Сорокина КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАМЕРЗАЮЩЕЙ ПОЧВЫ В статье проведено компьютерное моделирование тепловых, механических и гидродинамических свойств почвы в процессе ее замерзания. При анализе учитывались эффекты ступенчатого (скачкооб- разного) изменения термомеханических свойств почвы при температурных фазовых переходах, поведе- ние потока жидкости в порах почвы при постоянном снижении температуры, напряженно- деформационное поведение, включая воздействие от теплового расширения и потока жидкости через поры почвы, теплопроводность, включая фазовые изменения и скрытую теплоту замерзания, связь эф- фектов между вышеупомянутыми явлениями. Ключевые слова: компьютерное моделирование, замораживание почвы, свойства грунта, урав- нение Навье, уравнение Дарси. G.M. Kvashnin, O.P. Kvashnina, T.P. Sorokina COMPUTER MODELING OF THE FREEZING SOIL THERMOMECHANICAL PROPERTIES Computer modeling of the thermal, mechanical and hydrodynamic soil properties in the process of freezing is given in the article. The effects of stepwise (abrupt) change of the thermomechanical soil properties at the tempera- ture and phase changes, behavior of liquid flow in the soil pores at constant temperature decrease, stressed and deformative behavior including the effects from thermal expansion and fluid flow through the soil pores, thermal con- ductivity including phase changes and latent heat of freezing, effect relation among the above mentioned phenome- na are taken into consideration during the analysis. Key words: computer modeling, soil freezing, soil properties, Navier equation, Darcy equation. Когда на мокрую землю или глину воздействуют низкие температуры, то вода в пустотах, расщелинах и порах почвы замерзает. Вследствие чего окружающие почва или грунт деформируются. Деформация из- меняет давление в пустотах. Комбинированные воздействия замораживания и деформации воздействует на водный поток в земле. В данной модели рассматриваются три способа взаимодействия между напряжением и деформацией, водным потоком и температурными изменениями. Такой тип анализа важен при строитель- стве дорог и зданий, замораживании и оттаивании водостоков и других задач, связанных с сохранением ок- ружающей среды. Модель позволяет также оценить термомеханические эффекты в задачах по транспорти- ровке грунта и других сыпучих материалов. Наш анализ объединяет уравнения, которые предсказывают, что случится, если заполненная водой сердцевина грунта или почвы замерзает от центра наружу. При анализе рассматриваются: эффекты ступенчатого (скачкообразного) изменения термомеханических свойств почвы при темпе- ратурных фазовых переходах; поведение потока жидкости в порах почвы при постоянном снижении температуры; напряженно-деформационное поведение, включая воздействие от теплового расширения и потока жидкости через поры почвы; теплопроводность, включая фазовые изменения и скрытую теплоту замерзания; связь эффектов между вышеупомянутыми явлениями. В данной работе рассматриваются температурные изменения с учетом квазистатического взаимодей- ствия потока жидкости и деформации твердого тела. Компьютерная модель использует закон Дарси и при- кладные моды «Конвекции и теплопроводности» из COMSOL Multiphysics, учитывается прикладная мода «Напряжение и деформация» из структурно-механического модуля. В этой моде автоматически учитывается зависимость деформации от температуры.

Upload: gus93

Post on 16-Sep-2015

14 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

comsol

TRANSCRIPT

  • 146

    631.48 .. , .. , ..

    , . (-) , - , - , , , , - .

    : , , , - , .

    G.M. Kvashnin, O.P. Kvashnina, T.P. Sorokina

    COMPUTER MODELING OF THE FREEZING SOIL THERMOMECHANICAL PROPERTIES

    Computer modeling of the thermal, mechanical and hydrodynamic soil properties in the process of freezing is

    given in the article. The effects of stepwise (abrupt) change of the thermomechanical soil properties at the tempera-ture and phase changes, behavior of liquid flow in the soil pores at constant temperature decrease, stressed and deformative behavior including the effects from thermal expansion and fluid flow through the soil pores, thermal con-ductivity including phase changes and latent heat of freezing, effect relation among the above mentioned phenome-na are taken into consideration during the analysis.

    Key words: computer modeling, soil freezing, soil properties, Navier equation, Darcy equation. , ,

    . . - . . , . - , , - . - .

    , , , . :

    () - ;

    ; - ,

    ; , ; .

    - . - COMSOL Multiphysics, - . .

  • . 2010 . 7

    147

    ,

    , (.1). ,

    - . 3. - 15 , - . , - .

    . 1.

    [1]

    f . (1)

    ; f . (1) r-

    z-:

    f 0r r r rr r r

    . (2)

    f 0rz z rz zr r r

    . (3)

    xx

    yy

    zz

    xy

    xz

    yz

  • 148

    :

    ' mp , (4)

    ; ' ;

    , , m 111000T

    .

    - [1]:

    th' D . (5)

    D ;

    ' ; ;

    th refT T ;

    ; Tref . u = (u, v, w) . -

    [2]:

    u xx yy zz , (6)

    xx , yy zz , -1.

    [2]

    u sp , (7)

    s ; ; .

    s

    0s

    SPT , (8)

    SP0 ( -2 -1). SP0 , 0 .

    s , - .

    (6) (7),

    s xx yy zzp . (9)

  • . 2010 . 7

    149

    p

    Tc k T Q

    t, (10)

    ; ; k ; Q .

    COMSOL Multiphysics.

    . 0,38. 1 10-9 /, 7,1 10-7 /, 2000 /3, =6,5 107 , - =0,8 10-6 1/ [3]. Tinit=276 K, Tb=258 K.

    . 2. () () 24

    2 , ,

    . , -. . () .

  • 150

    - . . - (.3, ).

    . 3. r. : 1 10 , 2 30 , 3 1 , 4 2 , 5 4 , 6 8 , 7 24

    2 /( ), 43% r=0,006 . 3 4 , 24 , r= 0,04 . - . , Tb Tinit .

    . 4.

    ,

    rf,

  • . 2010 . 7

    151

    : ; .

    1. .., .. : 10 . . VII. : . . .: . . . .-. ., 1987. 248 .

    2. .., .. : 10 . . VI. : . . .:

    . . . .-. ., 1986. 736 . 3. : . / . . .. . .: , 1976. 1008 .