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专利号: 2019109920492
申请人: 河海大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法,其特征是,包括以下过程:在COMSOL软件中构建河岸潜流带水热耦合模型,所述河岸潜流带水热耦合模型包括水流运动方程、热量运移方程和导热系数经验模型;

利用COMSOL数学模块中的系数型偏微分方程对热量运移方程进行等效;

导入河岸潜流带几何模型,并定义河岸潜流带土体水力参数、热性质参数和导热系数经验模型;

对河岸潜流带水热耦合模型进行边界条件设置;

对河岸潜流带几何模型进行网格剖分;

计算得到河岸潜流带温度场。

2.根据权利要求1所述的基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法,其特征是,所述水流运动方程为:河岸潜流带水流运动方程采用Richards方程进行描述:式中:ρw为水的密度,kg/m3;Cm为容水度,m-1;g为重力加速度,m/s2;Se为土体的相对饱和度;Ss为弹性贮水率,Pa-1;p为压强,Pa;t为时间,s;为拉普拉斯算子;θ为体积含水率,m3/m3;Ks为介质饱和渗透系数,m/s;Kr(θ)为非饱和带相对渗透系数,m/s,是体积含水率θ的函数;μ为水的动力粘度,Pa·s,μ(T)=0.00002424×10[247.8/(T+133.16)];T为温度;z为计算点高程,m;Qm为水流源;

土壤水力函数选用van Genuchten模型进行描述:θ=θr+Se(θs-θr)  (2)

式中:θr为残余含水率,m3/m3;θs为饱和含水率,m3/m3;hp为压力水头,m;α为水分特征曲线进气值得倒数,m-1;β为水分特征曲线坡度的指示参数,通过拟合土壤水分特征曲线得到;

m=1-1/β。

3.根据权利要求1所述的基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法,其特征是,所述热量运移方程为:河岸潜流带热量运移方程可用热对流传热方程表示:

式中:Cw为水的比热容,J/kg·℃;Cs为土体的比热容,J/kg·℃;T为温度,℃;keff为有效导热系数,W/m3·℃;DH为水动力弥散系数,m2/s;u为平均流速,m/s,在数值上u=v/θ,v为Darcy渗流流速。

4.根据权利要求1所述的基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法,其特征是,所述导热系数经验模型为:导热系数经验模型可选用Chung&Horton模型或Campbell模型,模型公式分别为:keff=b1+b2θ+b3θ0.5  (7)

式中:b1、b2和b3分别为0.228,-2.406和4.909;

keff=A+Bθ-(A-D)exp[-(Cθ)E]  (8)式中:mclay为黏土含量,ρb为堆积密度(g/cm3)。

5.根据权利要求4所述的基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法,其特征是,所述利用COMSOL数学模块中的系数型偏微分方程对热量运移方程进行等效包括以下过程:COMSOL中提供的系数型偏微分方程如下:

式中:ea、da、c、α、γ、β、a、q和h均为自定义系数,Ω为求解域, 是Ω的外边界,n是的外法线方向;f、g、r分别为求解域和边界上的源项;

利用系数偏微分方程的形式来等效热量运移方程,等效过程如下:在热量运移方程中, 可构成方程的时变项, 可设定为对流传导弥散项,f则可作为热量源汇项;即设定ea=0,da=θCw+(1-n)Cs,c=keff+θCwDH,α=0,γ=

0,β=θCwu,a=0,f=0,此时PDE方程即等效于热量运移方程;热量运移方程通过土壤含水率与Richards方程耦合,又通过导热系数keff实现导热系数经验模型与热量运移方程之间的耦合,即可实现利用偏微分方程对热量运移方程进行等效。

6.根据权利要求1所述的基于COMSOL数学模块的河岸潜流带水热耦合建模方法,其特征是,所述对河岸潜流带水热耦合模型进行边界条件设置包括:对于渗流场,河岸潜流带左右边界设置为无流动边界;底部边界设置为透水层边界;土体与河水交界面设置为变水头边界;

对于温度场,河岸潜流带左、右和底部边界设置为绝热边界;与大气接触边界设置为大气边界,与河水接触边界设置为水温边界,初始温度场根据实际工程中所测的初始均值进行设置。