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多相连续介质的热弹性优化探讨

【摘要】:取多孔连续介质微元体,不考虑初始应力,假设温度T0均匀分布。假设微元体在变温作用下的变形服从线性假设,则变温引起的应变为式中:βij为热膨胀系数张量,它是一个二阶对称张量。如果多孔连续介质为各向同性介质,则有βij=βδij,其中β为线性热膨胀系数,于是变温引起的应变为式右边取负号是为了应变取正值。若αT1,则不必预先或同时计算应变才能计算温度场,即可以不考虑多孔介质体变形对温度场的影响。

取多孔连续介质微元体,不考虑初始应力,假设温度T0均匀分布。设该状态为参考状态,其应变为零。如果微元温度由T0变化到T,微元体内将产生变形。当T>T0,微元膨胀;反之,微元收缩。假设微元体在变温作用下的变形服从线性假设,则变温引起的应变为

式中:βij热膨胀系数张量,它是一个二阶对称张量。

如果多孔连续介质为各向同性介质,则有βij=βδij,其中β为线性热膨胀系数,于是变温引起的应变为

式(2.23)右边取负号是为了应变取正值。因为当T>T0时,体积应变(V0-V)/V0或线应变(L0-L)/L0为负。

若多孔介质材料同时受到变温和外加应力作用,其总应变应为热应变和外应力引起的应变之和,即

体应变为

其中

求解式(2.24),可得变温和外加应力作用下的应力为

上式即变温和外荷载作用下的多孔介质本构关系。

孔隙流体压力的扩散方程通过质量守恒方程得到,而温度扩散方程可通过能量守恒方程得到。不考虑热源情况下,热扩散方程表达式为

式中:k为热传导系数;ρ为质量密度;cv为材料的比热。

令DT=k/ρcv,称为热扩散系数,其单位为m2/s。于是有

考虑温度引起的存储应变(Nowacki,1986),则式(2.27)变为

式中:T0为绝对温度。

将式(2.25)对时间求导得

将式(2.29)代入式(2.28)可得

引入热弹性耦合参数αT,令

于是,式(2.30)可改写为

式(2.32)即是考虑应变对温度影响的热扩散方程。若αT≪1,则不必预先或同时计算应变才能计算温度场,即可以不考虑多孔介质体变形对温度场的影响。对大多数岩石,αT取值在10-1~10-2量级,因此应变引起的温度变化相对小,所以可以不考虑应变对温度场分布的影响。