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专利号: 2020102249739
申请人: 西安理工大学
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:

1.一种模拟潜流带温度场时空分布规律的方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、运用软件选择河道断面模型方程和函数,所述模型方程包括潜流带的渗流场模型方程、潜流带的温度场模型方程,所述函数包括土壤水力函数;

步骤2、先将河道断面的几何模型导入软件中,再对河道断面进行区域划分,然后定义所述模型方程,并设置河道断面模型的边界条件;

步骤2.1、将所述河道断面的几何模型导入COOMSOL软件中;

步骤2.2、根据土质情况,将河道断面分为两个区域,并设置两个区域的材料属性参数和介质参数;

步骤2.3、将土体等效导热系数λ修改为Ren模型中导热系数随含水率及土壤参数变化的表达式:

λ=(λsat‑λdry)·Ke+λdry                  (5);

λsat=0.53Csand+0.1γd                      (6);

λdry=0.087Csand+0.019γd                   (7);

‑μ

Ke=exp(ω‑θ)                      (8);

ω=0.493Csand+0.86Csilt+0.014Com+0.778             (9);

μ=0.736Cclay+0.006Com+0.222                (10);

当砂砾质量分数Csand的取值为:0

γd=g·ρb                     (11);

上式中,λdry为干土导热系数,λsat为饱和土导热系数,Ke为克斯特差值系数,γd为干土容重,ω和μ为曲线形状因子,θ为土壤含水率,Csand为砂土质量分数,Csilt为壤土质量分数,Cclay为粘土质量分数,Com为有机质质量比,ρb为体积密度;

对所述潜流带的温度场进行定义:选择达西速度场作为速度场,选择水作为流体材料,并输入干土容重γd、体积密度ρb、砂粒质量分数Csand、黏粒质量分数Csilt、粉粒质量分数Ccla、有机质质量比Com;并设置横向和纵向的热弥散性DL、DT;

步骤2.4、对所述潜流带的渗流场方程进行定义:选择水作为流体材料,并输入饱和液体体积分数θs和残余液体体积分数θr;选择水力传导率作为渗透率模型,并输入饱和水力传导率Ks;

步骤2.5、设置所述河道断面模型的边界条件,所述边界条件包括渗流场边界条件和温度场边界条件,所述渗流场边界条件为:河床最高水位至最低水位之间为水头边界条件,最高水位之上以及断面左右两边的边界为无流通边界条件,所述河道断面底部为透水边界条件;

所述温度场边界条件为:河床最高水位至最低水位之间为水温边界条件,断面底部边界以及左右两边界为绝热边界,最高水位之上与大气接触的部位为大气边界条件;

先将实测环境温度、水头和水温随时间变化的序列导入河道断面模型中,再将气温序列施加在大气边界上,同时将水温、水头序列分别导入水温边界、水头边界;

步骤3,对所述河道断面进行网格剖分并插入监测点,计算得到潜流带温度场时空分布规律;

步骤4、采用均方根误差、决定系数和相对误差对所述潜流带温度场时空分布规律的模拟结果进行精度评估。

2.如权利要求1所述的一种模拟潜流带温度场时空分布规律的方法,其特征在于,步骤

1中运用COMSOL选择模型方程和函数,所述潜流带的渗流场方程为:式中:θ为含水量,Kv为水力传导率;h为压力水头,H为总水头,C为土体容水度,σ为多孔介质的孔隙率,Ss为弹性贮水率,Qs为渗流源汇项, 为拉普拉斯方程,DT为水动力弥散系数,t为时间;

所述潜流带的温度场方程为:

上式中,c为土体比热容,ρ为土体等效密度,为拉普拉斯方程,λ为土体等效导热系数,cw为水的比热容,ρw为水的密度,v为水的平均流速,T为初始温度场,Qh为温度场源汇项;

所述土壤水力函数为:

上式中,θs为饱和含水率,θr为残余含水率,α和n为VG模型参数,其中m=1‑1/n,l为经验拟合参数,Se为相对饱和度,Se=(θ‑θr)/(θs‑θr),Ks为饱和水力传导率。

3.如权利要求1所述的一种模拟潜流带温度场时空分布规律的方法,其特征在于,步骤

3具体包括:

步骤3.1、采用自由剖分三角形网格中的流体动力学网格方式对所述河道断面进行多次剖分,直至网格质量接近于1;

步骤3.2、选择监测点并插入域点探针,将所述监测点的位置坐标导入河道断面模型中,通过计算得到潜流带温度场时空分布规律。

4.如权利要求1所述的一种模拟潜流带温度场时空分布规律的方法,其特征在于,步骤

4中所述均方根误差、决定系数和相对误差计算公式分别为:上式中,Oi为试验值,Si为模拟值,n为样本个数, 为试验平均值。