非饱和热流固耦合理论

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：基于线性化的湿-热弹性理论，建立热流固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程以及能量方程。含相变过程的热流固耦合非饱和渗流在现代岩土力学中有非常重要的应用价值，特别是核废料存储库缓冲区的分析计算、冻土带路基融化的耦合过程分析中意义重大。非饱和情况下，整体研究区域由固、液和气三相构成。对于地下水非饱和带，气体一般是空气。

基于线性化的湿-热弹性理论，建立热流固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程以及能量方程。其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结相变过程，气液两相流中液相包含溶解的空气，气相中包含空气和水蒸气。

含相变过程的热流固耦合非饱和渗流在现代岩土力学中有非常重要的应用价值，特别是核废料存储库缓冲区的分析计算、冻土带路基融化的耦合过程分析中意义重大。

非饱和情况下，整体研究区域由固、液和气三相构成。固体骨架之间的孔隙空间由水和气共同占据，如果水的饱和度为s，则气相饱和度为sg=1-s。对于地下水非饱和带，气体一般是空气。

固体介质可以是孔隙岩石、裂隙岩石或土体。控制方程包括：混合物的本构方程（由多孔湿-热弹性本构关系以及修正后的有效应力公式联立导出）；水流和气体渗流微分方程；能量方程。

为建立上述控制方程，需要采用以下假定：

（1）固体介质为各向同性介质。

（2）研究区域瞬间处于热平衡状态。

（3）对地下水饱和带，孔隙压力pg为1个大气压，且其宏观速度vg=0。

（4）液体的流动遵循达西定律及其在多相流中的推广。

（5）空气遵循理想气体的状态方程，蒸汽由Kelvin关系表示。

（6）对于土壤，其湿应变大于热应变，必须予以考虑；对坚硬的岩石，湿应变忽略不计。

（7）固体速度vs与φ、s、ρ等标量梯度的乘积为高阶小量，可忽略。