[發明專利]一種含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的設計方法

有效

• 申請號: 202010590655.4
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111812147B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 馮彥皓;吳宇豪;俞自濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N25/18
• 分類號: G01N25/18;G01N33/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明公開了一種含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的設計方法，在給定的土壤熱濕耦合傳遞模型的基礎上，利用相似原理中的相似分析法或白金漢π定理對土壤熱濕耦合傳遞模型進行分析，可得到含熱源土壤熱濕耦合傳遞的無量綱相似準則數；由得到的無量綱相似準則數確定含熱源土壤熱濕耦合模化實驗中各物理量的相似比，然后根據各物理量的相似比來設計模化實驗。原有的土壤熱濕耦合實驗需要對多個變量加以研究，因土壤熱濕耦合現象復雜，所需的研究參數和時間較長，而本發明提供的含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的設計方法，能夠極大減少實驗所需研究變量，同時得到的無量綱相似準則數更能反映含熱源土壤熱濕耦合的實際物理意義。

技術領域

本發明涉及土壤物理領域，具體涉及一種含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的設計方法。

背景技術

土壤中的熱量和濕分的流動相互耦合，其中，熱量的運移可導致溫度梯度的產生，進而驅動濕分發生遷移，反之，濕分的遷移和相變也會導致熱量發生運移。

直埋電纜、地源熱泵的敷設優化設計和核廢料的填埋等工程問題需要進行土工實驗，以得到最精確的設計方案，但是傳統的現場測試和實驗方法無法做到多工況下的優化實驗和分析，需要較高的實驗場地要求，也不能準確控制實驗環境變量和邊界條件，容易造成結果的誤差。

另一方面，實驗室所采取的小型簡易式的實驗裝置，雖然能夠準確控制邊界條件，但是現有的實驗裝置還缺乏一定的相似分析和理論支撐，即采用縮小的實驗裝置不能保證完全符合現場的工況。此外，此方式需要較多實驗次數，耗時耗力，不利于得到一般化的設計規律。

本申請通過引入相似原理，系統分析含熱源土壤熱濕耦合涉及的物理現象和過程，提出相似準則數，并以此指導小型縮尺實驗裝置的設計，能夠以較少的實驗次數，得到準確的優化方案，并保證與現場實驗結果的一致性，從而準確反映實際工況。因此，相似準則數的獲取對于含熱源土壤熱濕耦合實驗設計有著十分重要的指導意義。

發明內容

基于現有含熱源土壤熱濕耦合實驗所反映的問題，本發明的目的在于提供一種含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的設計方法，通過無量綱相似準則數的確定來獲得不同幾何尺寸下的土壤溫度場和含水率場，并保證小型縮尺實驗裝置的設計合理性。通過該方法得到的無量綱相似準則數，代表了一組不同實驗尺寸下的相似工況，可用于指導含熱源土壤熱濕耦合模化實驗，從而達到減少含熱源土壤熱濕耦合傳遞實驗次數和實驗場地要求的效果。

本發明采用以下技術方案實現：

一種含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的設計方法，在給定的含熱源土壤熱濕耦合傳遞模型的基礎上，利用相似原理中的相似分析法或白金漢π定理分別對含熱源土壤熱濕耦合傳遞模型進行分析，其主要步驟如下：

(1)確定含熱源土壤熱濕耦合傳遞模型中的控制方程、初始條件和邊界條件；

(2)利用相似分析法對含熱源土壤熱濕耦合傳遞模型進行分析，得到含熱源土壤熱濕耦合傳遞的無量綱相似準則數；或利用白金漢π定理對含熱源土壤熱濕耦合傳遞模型的主要物理量進行量綱分析，并根據量綱分析結果建立無量綱相似準則數；所述的主要物理量為含熱源土壤熱濕耦合模型的控制方程和邊界條件所涉及的所有非常數的物理量；

(3)確保土壤類型和性質在現場原足尺實驗和模化實驗中保持一致，然后控制不同幾何尺寸滿足不同特征長度的相似比條件，土壤溫度場和含水率場為模化實驗需要得到的因變量，因此溫度和含水率也需要在現場原足尺實驗和模化實驗中保持一致；

(4)由給定的特征長度的相似比，以及上述步驟(2)得到的無量綱相似準則數，通過保持不同幾何尺寸下的無量綱相似準則數相同，可得到各個其余含熱源土壤熱濕耦合傳遞模化實驗的物理量的相似比，進而能夠指導含熱源土壤熱濕耦合模化實驗的設計。

(5)通過設計得到的模化實驗的溫度場和含水率場得到原足尺模型的溫度場和含水率場，通過設計的模化實驗熱源對土壤產生的傳熱傳濕影響可得到原足尺模型的熱源對土壤的傳熱傳濕影響。