非等温气固耦合模型及有限元分析

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1、辽宁工程技术大学硕士学位论文非等温气固耦合模型及有限元分析姓名：李宏艳申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：梁冰2003.5.1辽宁工程技术大学硕士学位论文摘要在全面系统的回顾与总结多孔介质多物理场耦合分析与模拟的研究成果的基础上，以混合物理论以及流体、应力、温度相互作用的机理为基础，建立温度场、渗流场、应力场三场耦合分析的非线性数学模型。推导了多孔介质在耦合作用下的本构方程，对于耦合模型提出了解耦方法，推导了不同边界条件下的有限元方程，并作为依据编制面向对象的有限元程序。以考虑气体吸附作用的瓦斯流动的三场耦合数学模型为例，探讨各物理场的相互

2、作用机理，同时利用编制的程序进行求解，验证程序的实用性，以及三场耦合模型建立的必要性。关键词：渗流混合物理论气热力耦合解耦方法面向对象有限元程序数值模拟辽宁工程技术大学硕士学位论文AbStractBasedonthereviewofcouplingtheoryofporousmedia．Anonlinearmathematicsmechanicalmodelandthegoverningdifferentialequationofthecoupledproblemofthermal·-gasfluid·-mechanicalarederivedf

3、romthetheoryofcontinuummechanicsandmixturetheory．Aconstitutiveequationoftheporousmediaisobtainedinthecouplingprocesses．Accordingtothecouplingmodel，adecoupledmethodispresented．Thefiniteelementequationissetupunderseveralconditionsandanobjectorientedfiniteelementprogramiscompile

4、d．Anapplicationexamplewiththegasthroughanon-isothermalcoalispresented．Resultsindicatethatnon-isothermaldeformationcouldplayamajorroleinthetransportofgasinthecoalandthattheprogramwaspracticabilityandthecouplingmodelwasnecessarily．Keywords：seepage，mixturestheory，thermal—gas-mec

5、ha．nicalcoupling，deeoupledmethod，objectorientedprogram，numericalsimulation辽宁工程技术大学硕士学位论文NO．11概述1．1问题的提出随着科学的日益进步以及工程技术的发展，在实际工程当中多场耦合问题越来越突出，同时具有复杂的介质环境，包括渗流场、温度场、应力场等，这些环境相互影响，相互制约，使岩土时时处于这些因素构成的动态平衡体系中。在道路翻浆问题中，影响道路翻浆的主要因素有土质、水分、温度、行车荷载与路面等。其中土质、水分和温度是内因，行车荷载和路面是外因，翻浆的产生是它们

6、综合作用的结果。这就是考虑渗流场、温度场和应力场三场耦合的实际工程问题，要想很好的解决道路翻浆问题，必须对岩土中水分运移、温度场分布以及应力分布有个清晰正确的了解，为解决问题提供一个有力的参考。在垃圾填埋场中，垃圾一经填埋，就伴随着垃圾的微生物降解消耗内部氧气产生大量的热，填埋场内部温度升高，不但影响岩土、气体的物理性质，而且对岩土的应力场和气体的渗流场也有重要的作用。同时气体作为一种环境因素对岩士的物理力学性质和热对流传输具有重要的影响；另一方面，岩土的热物理特洼对气体的渗流和热传导起着重要的控制作用。这三者之间的相互联系、相互制约的性质是由变

7、形场、渗流场和温度场耦合效应引起的。为了更好的控制气体的输运就应该建立耦合的模型对气体输运规律进行描述。还有许多问题值得考虑，地下水的污染问题为应力场、渗流场、浓度场甚至也包括温度场的耦合问题；非等温条件下煤层中瓦斯流动问题等等，也涉及了多物理场耦合问题。综上所述，一个核心问题就是如何解决多介质环境之中多物理场耦合问题，并能够在工程实际中得到应用。辽宁工程技术大学硕士学位论文NO．2上述多场偶合问题的数学模型最终将归结为两类：流固耦合模型；热流固耦合模型或流体(水或气体)一热一力一传质耦合模型。从工程实践的角度出发，大型工程的修筑，使工程设计和建

8、设者都面临许多新问题，同时工程体自身会产生诸多不良反映，这时用传统的单个学科来解决这些新问题已显得无能为力，即使勉为其难，效果也不十分理