[發(fā)明專利]一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010445518.1
• 申請日: 2020-05-24
• 公開（公告）號: CN111579434B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉聯(lián)勝;畢研策;劉軒臣;王曉雪;劉宜霖;姜靜華;楊華;任鍵林
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰;張國榮

本發(fā)明公開了一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法，該方法以土壤熱物性參數(shù)之間的非線性關(guān)系，基于相似第三定理設(shè)計思想，利用相似轉(zhuǎn)換法推導出了土壤熱濕耦合試驗模型與試驗原型之間的相似準則。該方法既結(jié)合了非線性導熱微分方程的精確性，又將水熱耦合作用下的土壤水分運動基本方程融入到相似準則中，彌補了非線性導熱微分方程分析法未考慮水分運動對土壤熱濕遷移的影響的不足。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法，該相似準則可用于建立土壤熱量和水分傳遞過程中的物理模型，為土壤熱濕遷移模型試驗提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

背景技術(shù)

模型試驗是科學研究常用的方法，它通過將原型進行一定比例的幾何縮放，利用相應(yīng)的相似準則，建立原型與模型之間的關(guān)系，進而將復雜大型的原型試驗簡單化，因此模型試驗在眾多學科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而相似準則作為模型與原型之間的聯(lián)系紐帶，是進行模型試驗的理論依據(jù)。

城市地埋熱力管網(wǎng)作為城市集中供熱熱源向熱用戶輸送和分配供熱介質(zhì)的管線系統(tǒng)，因其管道直接埋設(shè)于土壤之中，不影響城市交通和市容，且管道本身直接承受外界荷載，造價低，施工簡便而得以廣泛應(yīng)用。由于地埋熱力管網(wǎng)泄露會導致泄漏點周圍的土壤溫度及含水率升高，影響泄漏點上方區(qū)域內(nèi)土壤的溫度和水分運動，因此研究地埋熱力管網(wǎng)對土壤熱濕遷移規(guī)律的影響，對快速準確定位地埋熱力管網(wǎng)泄漏點顯得尤為重要。

目前，非線性導熱微分方程分析法是求取土壤熱濕遷移模型試驗相似準則的常用方法，但該方法并未考慮實際工程中涉及到的水分運動對土壤熱濕遷移規(guī)律的影響，且相似準則是以土壤熱物性參數(shù)為常數(shù)的理想狀態(tài)建立的，這與土壤熱物性參數(shù)隨溫度、含水量等因素的影響而不斷變化的實際情況相差較大，故該方法并不能客觀描述土壤實際的熱濕遷移規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法，該方法以土壤熱物性參數(shù)之間的非線性關(guān)系，基于相似第三定理設(shè)計思想，利用相似轉(zhuǎn)換法推導出了土壤熱濕耦合試驗模型與試驗原型之間的相似準則；該方法包括以下步驟：

S1、在熱濕耦合作用下，土壤垂直一維水分運動基本方程表示為式(1)：

式中：D_T為溫差作用下的水分擴散系數(shù)，D_W是水分和水汽擴散系數(shù)，θ為土壤含水率，t為時間，T為溫度，k為土壤導水率，z為土壤深度；

在熱濕耦合作用下，土壤的熱傳遞基本方程可表示為：

式中：C_V為土壤熱容量，λ為土壤導熱率，L為水蒸發(fā)潛熱，D_W/V為水分運動所引起的熱擴散率；

其中，土壤導熱率λ、土壤熱容量C_V與土壤含水率θ的函數(shù)關(guān)系滿足公式(3)和(4)：

C_V＝θ+Dε+E(4)

式中：A、B、C、D、E均為擬合常數(shù)，ε為土壤孔隙率；

水分和水汽擴散系數(shù)D_W的經(jīng)驗公式為式(5)，溫差作用下的水分擴散系數(shù)D_T的經(jīng)驗公式為式(6)：

D_W＝0.0004e^0.14611θ(5)

D_T＝6×10^-16T^5.9146(6)