冻结壁温度场水分场耦合分析研究

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1、冻结壁温度场水分场耦合分析研究杨玉贵高峰李涛刘冠男作者简介：杨玉贵（1982-），男，山东济宁人，中国矿业大学05级硕士研究生，主要从事岩土计算力学。联系地址：中国矿业大学理学院力学与工程科学系硕05，邮编：221008；E-mail：yyg323@163.com；(中国矿业大学理学院力学系江苏徐州221008)E－mail：yyg323@163.com摘要：人工冻结法施工技术是深厚表土矿井开挖的一种重要的技术，为了更好的应用这种技术，本文通过分析冻结过程中温度场、水分场分布及扩展规律，利用ANSYS二次开发功能，编写了考虑水分场对温度场参数影响的APDL以及UPFS二次开发程序，并通过

2、计算实例分析验证了该程序的正确性。关键词：ANSYS;数值模拟;温度场;耦合中图分类号：文章编号：AnalysisofMoistureandTemperatureFieldCouplingProcessinFreezingwell(YANGYugui,GAOFeng,LITao,LIUGuan-nan)Abstract:Thetechnologyofartificialfrozenconstructionisonekindofimportanttechnologywhichusedindeepsoilmining.Forthebetterapplicationofthistechnolo

3、gy,analyzesthemoistureandtemperaturefieldcouplingprocessinthisarticle,andusesthedevelopmentsfunctionsofANSYSSimulatingthetemperatureofShaft,confirmingthismethodrationallythroughthecomputationoftheexample.KeyWord：ANSYS;MathematicSimulation;TemperatureField;Coupling0引言在矿井冻结法施工工程中，冻结壁的温度场分布一直是工程师最为关

4、心的问题。因为某时刻的冻结壁温度场分布决定着此时的冻结壁厚度，而冻结壁中某点的温度值又决定着此处的冻结壁强度。冻结壁厚度和强度是衡量冻结质量的重要指标，工程师往往据此把握开挖时机、给出开挖方案。较一般热传导问题不同的是，冻结会使土体中各组分的含量发生改变，水分在冻结时会逐渐凝固成冰，水和冰的热容、导热系数等物性参数是不一样的，因此冻土的整体物性参数也要随着温度的改变而改变；潜热并不只发生在一个狭窄的区域内，一般在负温区域内都会有潜热释放。归结起来，土体的冻结温度场可以认为是一个含相变的、移动边界的、有内热源的、边界条件复杂且物性系数改变的不稳定导热问题。本文通过研究分析深井冻结过程中冰颗

5、粒以及未冻水的存在对冻土各物理参数的影响，利用ANSYS的二次开发方法对冻井温度场进行数值模拟分析，与实际测试结果比较，得出了该方法的合理性。1数学模型假设冻土中只有液态水的运动，忽略气相影响，则冻土中未冻水含量与冻土的温度有动态平衡的关系。深井冻结过程中，在竖直方向上的传热比较弱，因此我们可以看作是平面问题。在冻结壁交圈之前，温度场是依每一个冻结管为中心的近似轴对称问题，考虑潜热释放的热传导方程如下：（1）式中—粘土的密度；—粘土的比热；—导热系数；—潜热；—冰体积含量；冻土中的水流方程满足达西定律，并根据连续性方程得到：（2）式中，是体积含水率，是不饱和渗水系数，是比水分容量，是总势

6、，是压力水头，是转换系数，是重力势。对于土水压力的计算可以采用克拉柏龙方程[1]（3）得到（4）式中，为水压，为冰压，为水的重度，为冰的重度，为权系数（是一个未冻水含量与空隙比有关的参数），相变潜热。由于深井冻结过程中，不考虑水分的上下迁移，因而可以不考虑的影响。引入水分扩散系数则（2）式可以表示为（5）2ANSYS二次开发ANSYS除具有较为完善的分析功能外，同时还为用户进行二次开发提供了多种实用工具，如宏（Marco）、参数设计语言（APDL）、用户界面设计语言（UIDL）及用户编程特性（UPFs）。UPFs允许拥护根据需要定制ANSYS程序，如用户定义的材料性质、用户单元类型、用户

7、定义的失效准则。2.1深井冻结问题的求解由于上面的方程要考虑潜热的存在，ANSYS不能考虑冻土中水分的潜热问题，只能将冻土及其中的水分作为一个整体考虑潜热，为了方便有限元程序的编写，采用一种有效的方法是显热容法，即在发生相变的温度范围内构造比热函数，以代替上面方程中的潜热相。本文不仅考虑了冻结锋面处水分的相变而且考虑了已冻土中未冻水进一步相变的潜热问题。（6）为了考虑潜热相，程序中采用（）代替上面的。根据矿井的实验数据资料，回归出冻