双针热脉冲测定冻土热特性的数值模拟方法

S-3%P642.14%S225; 使用双针热脉冲(dual probe heat pulse,DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导(忽略融化相变、冰水两相分界面)的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5 ℃至0 ℃温度范围内无法准确测量热导率(λ)和比热(Cv).为了能够准确测定冻土的λ和Cv,有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热.该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程,采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟,并与真实冻土的DPHP测量数据对比.结果表明:1)C...

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Published in农业工程学报 Vol. 40; no. 11; pp. 92 - 99
Main Authors 张媛媛, 刘湘君, 赵天悦, 赫刘台, 何海龙, 刘刚
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 中国农业大学土地科学与技术学院,北京 100193%西北农林科技大学资源与环境学院,杨凌 712100 01.06.2024
Subjects
dual-probe heat-pulse
heat conduction
热传导
移动边界
数值模拟
双针热脉冲
frozen soil
冻土
numerical simulation
move boundaries
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ISSN1002-6819
DOI10.11975/j.issn.1002-6819.202309203

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Summary:S-3%P642.14%S225; 使用双针热脉冲(dual probe heat pulse,DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导(忽略融化相变、冰水两相分界面)的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5 ℃至0 ℃温度范围内无法准确测量热导率(λ)和比热(Cv).为了能够准确测定冻土的λ和Cv,有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热.该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程,采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟,并与真实冻土的DPHP测量数据对比.结果表明:1)COMSOL仿真在不考虑相变条件下与无限线性热源模型结果完全吻合(R2=0.998 9);2)当土壤初始温度低于-5 ℃时,考虑相变发生的COMSOL仿真能够准确模拟试验结果,表现出较高的相关性(R2＞0.93),在-1～0 ℃的土壤初始温度范围内,无限线性热源模型的结果与试验测量显著偏离(R2＜0.0013);3)在不同土壤初始温度下,相变温度为-1.5～-0.5 ℃的仿真结果与试验数据具有较高的相关性(R2＞0.7).该研究结果检验了有限元仿真用于真实冻土DPHP研究的可行性,可为准确预测冻土热特性的研究提供方法.
ISSN:1002-6819
DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.202309203