基于冻土热传导方程解析解的相似准则研究
|
伯 音(1995—)男,蒙古族,吉林松原人,博士,工程师,主要从事TBM隧道施工研究。E-mail:boyin@cjwsjy.com.cn |
收稿日期: 2024-03-04
修回日期: 2024-05-29
网络出版日期: 2024-12-26
基金资助
湖北省青年基金项目(2024AFB518)
湖北省青年基金项目(2022CFB673)
Study on the similarity criterion of one-dimensional heat conduction equations in frozen soil based on the analytical solution
Received date: 2024-03-04
Revised date: 2024-05-29
Online published: 2024-12-26
为研究冻土一维热传导问题中温度场的模型试验相似准则,本文创新性的提出了基于微分方程解析解求取相似准则的方法。首先采用分离变量法,得到了一维非线性热传导方程的解析解。在此基础上,利用相似转换法推导出了考虑热交换和不考虑两种情况下冻土模型试验的相似准则。最后利用有限元软件ABAQUS对得到的相似准则进行了验证。结果表明,在不考虑热交换的情况下,时间的相似常系数始终是几何尺寸相似常系数的平方。当考虑热交换情况时,模型试验必须采用与原型不同的土体,此时得到的相似准则更具有理论意义和实际价值。该研究成果充分考虑了热传导过程中的边界条件,有望为非线性热传导问题的研究和模型试验设计提供理论参考。
伯音 , 王聪 , 冯彦芳 , 张彬 , 张莹 , 郭晓刚 , 姚劲松 , 魏莱 , 陈荣 , 徐琛 . 基于冻土热传导方程解析解的相似准则研究[J]. 长江科学院院报, 2024 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240000
To study the similarity criteria for the temperature field in one-dimensional heat conduction problems of frozen soil, this paper innovatively proposes a method based on the analytical solution of differential equations to obtain the similarity criteria. First, the method of separation of variables is used to derive the analytical solution of the one-dimensional nonlinear heat conduction equation. On this basis, the similarity criteria for frozen soil model tests, both with and without heat exchange, are derived using the similarity transformation method. Finally, the obtained similarity criteria are verified using the finite element software ABAQUS. The results show that, without considering heat exchange, the similarity constant for time is always the square of the similarity constant for geometric dimensions. When considering heat exchange, the model test must use a different soil material than the prototype, and the obtained similarity criteria have more theoretical significance and practical value. This research fully considers the boundary conditions in the heat conduction process and is expected to provide theoretical reference for the study of nonlinear heat conduction problems and the design of model tests.
| [1] |
|
| [2] |
杨涵, 徐平, 常福宣, 等. 基于遥感与地面实测的青藏高原冻土流域土壤温湿度变化分析[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(4):177-184.
|
| [3] |
任辉, 胡向东, 洪泽群, 等. 超浅埋暗挖隧道管幕冻结法积极冻结方案试验研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(2): 320-328.
|
| [4] |
于景飞, 张文月, 李明浩. 季节性冻土区铁路路基冻融变形规律[J]. 长江科学院院报, 2020, 37(5): 133-138.
|
| [5] |
李东阳, 刘波, 王莉, 等. 冻结器传热的冷源相似准则[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(4): 814-820.
|
| [6] |
丁德文, 罗学波. 冻土热工模型实验的理论基础[J]. 科学通报, 1979, 24(8): 360-364.
|
| [7] |
徐学燕, 吉植强, 张晨熙, 等. 季节冻土层影响下冻土墙温度场模型试验研究[J]. 中国矿业大学学报, 2009, 38(5): 629-633.
|
| [8] |
张源, 万志军, 周长兵, 等. 巷道/隧道围岩非稳态导热模化试验方法[J]. 采矿与安全工程学报, 2014, 31(3): 441-446.
|
| [9] |
荣传新, 王彬, 程桦. 大流速渗透地层人工冻结壁形成机制室内模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(3):596-613.
|
| [10] |
蔡睿贤, 张娜. 变热物性非定常导热方程的一些显示解析解[J]. 工程热物理学报, 2002, 23(3): 327-329.
|
| [11] |
王凯, 李顺群, 陈之祥, 等. 正冻黏土瞬态温度场计算方法改进与试验验证[J]. 深圳大学学报(理工版), 2017, 34(2): 157-164.
|
| [12] |
夏锦红, 李顺群, 夏元友, 等. 一种考虑显热和潜热双重效应的冻土比热计算方法[J]. 岩土力学, 2017, 38(4): 973-978.
|
| [13] |
|
| [14] |
周家作, 谭龙, 韦昌富, 等. 土的冻结温度与过冷温度试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(3): 777-785.
|
| [15] |
陈之祥, 李顺群, 王杏杏, 等. 热参数对冻土温度场的敏感性分析[J]. 水利水电技术, 2017, 48(5): 139-144.
|
| [16] |
崔广心. 相似理论与模型试验[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1990.
|
| [17] |
胡坤, 高兆国, 王少伟, 等. 某冻胀敏感性粉质黏土冻结过程物理力学特性试验[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(8): 127-132.
|
| [18] |
蔡海兵, 黄以春, 庞涛. 地铁联络通道三维冻结温度场有限元分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(6): 1436-1443.
|
/
| 〈 |
|
〉 |