地表水與地下水的交換是水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、水資源管理等領(lǐng)域的重要研究熱點,溫度示蹤法作為一種新的研究方法,被廣泛應(yīng)用于河流、洲灘等淺水地區(qū)的水文地質(zhì)研究中。而土體導(dǎo)熱系數(shù)作為流-熱耦合模型的重要影響因子,是直接決定模型是否成功和準(zhǔn)確的關(guān)鍵。本文在分析和總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,提出新的導(dǎo)熱系數(shù)模型,并基于新的導(dǎo)熱系數(shù)模型構(gòu)建參數(shù)非均質(zhì)下河床、河岸帶飽和-非飽和流-熱耦合模型,最后結(jié)合野外試驗,驗證新的導(dǎo)熱系數(shù)模型的適用性,探究飽和-非飽和河床、河岸帶滲流場與溫度場的時空分布規(guī)律,并進(jìn)行相關(guān)性分析。主要研究成果如下:（1）基于土體的各物理基本參數(shù),考慮有機(jī)質(zhì)含量以及各粒組成分對形狀因子的影響,提出一個新的導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?并利用新模型和其他9種模型對10種不同質(zhì)地的土壤在不同含水率下的導(dǎo)熱系數(shù)值進(jìn)行計算。結(jié)果顯示,相比于其他模型,新模型對各種土壤的模擬結(jié)果均較好,模型預(yù)測精度最高,性能最好,適用范圍較廣。（2）工程實例驗證結(jié)果顯示,相比于基于HYDRUS軟件的Chung&Horton（1987）模型以及基于COMSOL Multiphysic s軟件的Lu（200... 

【文章來源】：西安理工大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

技術(shù)路線圖

2飽和-非飽和流-熱耦合數(shù)學(xué)模型構(gòu)建92飽和-非飽和流-熱耦合數(shù)學(xué)模型構(gòu)建2.1溫度場對滲流場的影響機(jī)理水溫以及土體溫度對滲流場的影響主要取決于影響水的密度、動力粘度以及土壤孔隙度。溫度降低，則水的粘滯性升高，土壤孔隙度降低；反之，溫度升高，水的粘滯性降低，土體孔隙度增大。非飽和土體滲透系數(shù)可通過下式求得[69]：kgK（2-1）式中：K是土體滲透系數(shù)，m/s，主要影響要素包含2個，一個是土的滲透率，另一個是流體性質(zhì)，即流體的密度和粘滯性等；ρ為液體密度，單位kg/m3；g是重力加速度，單位m2/s；μ為液體的動力粘度，單位Pas；k是土體滲透率，m2，是土體的固有屬性，與流體性質(zhì)無關(guān)，僅和土顆粒或孔隙的大小及其排列方式相關(guān)。依照物理化學(xué)手冊[70]，通過多項式進(jìn)行擬合，得到常態(tài)水的密度及動力粘度與溫度關(guān)系如下[69]：TK15.413K15.273時，當(dāng)6165134103724108457.3100791.9109042.8106454.4103604.10212.03799.1TTTTTTT（2-2）.TK75553K15.273時，當(dāng)382107182.30031.04005.14661.838TTTT（2-3）在水利工程中，地下水溫度一般在400°C之間，圖2-1為500°C內(nèi)水體密度與動力粘度值隨溫度的變化，從圖中可以看出，溫度對水體動力粘度影響顯著，變幅較大，且動力粘度與水體密度均隨溫度升高而降低。這種差異會引起水的自然對流，對滲流產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)加以考慮。圖2-1常態(tài)水密度以及動力粘度與溫度的關(guān)系Fig.2-1Relationshipbetweentemperatureandnormalwaterdensityanddynamicviscosity

西安理工大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文10忽略溫度對土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響，考慮其對水的動力粘度以及水體密度的影響，將式（2-1）中g(shù)稱為流體因子，用f表示，其值主要受流體類型以及溫度影響，通過式（2-2）和（2-3），擬合可得f與溫度T滿足下式[69]：010211975005383000)(℃T50℃2TTTf（2-4）上述擬合公式相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9998，能準(zhǔn)確表示f隨T的變化，其中f單位是1m-1s-1，繪制f（T）曲線，如圖2-2所示，f隨T增大而增大。圖2-2流體因子f與溫度（T）的關(guān)系Fig.2-2Relationshipbetweenfluidfactorfandtemperature(T)因此，式（2-1）可寫為：Kf)()(kTT（2-5）當(dāng)土體溫度增加ΔT后，其滲透系數(shù)為:TTKT)()(kTf（2-6）滲透系數(shù)變化率為：5383000197500102119750010212042)()()()()()()(2TTTTTfTTfTfTKTKTTKT（2-7）假設(shè)土體的最初溫度是15°C，ΔT為1°C時，則滲透系數(shù)的變化率β為0.02667，即K大致增長3%，由此可以看出，溫度對土體K的影響非常顯著。另外，土體中熱量的傳播會引起土中水分發(fā)生轉(zhuǎn)移，即就是溫度梯度又會導(dǎo)致水的流動，可通過下式描述[71]：TxyzTTTqDDDxyz（2-8）式中：為由Tq溫度梯度所導(dǎo)致的流量；zyDDDx，，分別是、、zyx各方向上的流體擴(kuò)散系

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
[1]光纖Bragg光柵傳感技術(shù)用于工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的研究[D]. 孫曼.四川大學(xué) 2005

碩士論文
[1]大壩下游河岸帶飽和—非飽和流熱耦合模型及應(yīng)用研究[D]. 張文兵.西安理工大學(xué) 2019
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[3]滲流作用下飽和砂層多排孔凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律研究[D]. 于友斌.中國礦業(yè)大學(xué) 2017



本文編號：2937494