土体内在结构对热导率计算模型的影响研究.pdf

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1、7背地质论评GEOLOGICALREVIEWVoJ1u．ly552N0o．049土体内在结构对热导率计算模型的影响研究肖琳2’，李晓昭¨，胡增辉D，赵晓豹¨，赵高峰，陈立根。1)南京大学地球科学与工程学院，中国南京，210093；2)南京大学一有色金属华东地质勘查局地下空间与地质环境研究所，中国南京，210093；3)广东省有色金属地质勘查局地质勘查研究院，中国广州，510080；4)瑞士联邦理工大学岩石力学研究所，瑞士洛桑CH一1015内容提要：为得到适用于土体的热导率模型，利用软件将土样扫描电镜图片(反映土体的真实结构)二值化，采用瞬态传热分析方法

2、对土体进行二维传热分析，通过ANSYS模拟土体并分析得出土体热导率。并且将数值分析结果与实测结果进行对比，发现两者间误差较小，说明该方法能较精确地得到土体热导率，为土体热导率理论模型的建立提供了一种新方法。在此基础上，对粉砂、粉土及粉质粘土的热导率进行研究，发现土体热导率随孔隙率的增大而减小，粉砂热导率的减小速率最大，其次为粉土，最小为粉质粘土。关键词：热导率；扫描电镜；土体结构；数字建模；孔隙率随着地球表面土地资源的逐渐匮乏，能源短缺K—K11·K22(1)i=1情况的不断加剧和人类工程活动的发展，对地下空—、——，K=f>：V,／K1(2)问的有限

3、热能资源利用、环境的热调控能力设计及、采用适当的参数计算以最大限度的节能和节约投资式中：K一土体热导率；V，V。一分别为各部分的体等问题将日益成为人们关注的热点问题，而土体热积百分比；K，K一分别为各部分的热导率。导率是其中最重要因素之一(王树刚等，1997)。为了研究典型多孔介质热导率模型用于不同内土体内热传导的主要途径为颗粒问的热传导在结构土体热导率预测计算的效果，以及土体内在(GangadharaReta1．，1998)，颗粒间的排列方式结构对土体热导率特性的影响，作者通过数字化软(内在结构)对土体热特性的影响较大，目前已有的件对土体扫描电镜图片

4、进行二值化，并进行有限元多孔介质热导率模型，如并联模型、串联模型、EMT的二维建模，分析得出土体的热导率，为构建能够反模型(图1)、几何平均模型(式1)及二次并联模型映土体内在结构的更为科学准确的土体热导率计算(式2)等(Cosenzaeta1．，2003；Tavman，1996；模型提供有效方法。Kuniieta1．，1960；Carsoneta1．，2003)，通常是在1主要研究内容与实验方法某特定的结构上给出的。并联模型和串联模型假定其内部各组分成层状，热流方向与各组分平行或垂土体结构主要由颗粒和颗粒间的孔隙组成，孔直的情况，可分别得到热导率的最

5、大值和最小值。隙内含水和空气。如果能把土体结构数字化，并且EMT模型假定其内部组分随机分布。几何平均模知道土体颗粒、孔隙内的空气和水的热导率，则可以型是介于并联和串联模型之间的一种统计方法。二通过数值模拟得到土体宏观热导率；通过热导率模次并联模型适用于电容率和电导率的计算，从而假拟值、典型热导率模型的计算结果和实验结果三者定其也适用于热导率的计算。因此上述理想化的模对比分析，可以给出更接近实际土体宏观导热特性。型在土体热导率的预测计算中还不够成熟，没能反主要技术要点有：①土体结构组成要素中水、映土体实际的内在结构(Farouki，1986；Progel

6、hof空气的热导率是已知的，而土颗粒的热导率需要专eta1．，1976；Murakamieta1．，1989)门实验研究；②土体结构模型的数字化问题。建立注：本文为国家自然科学基金资助项目(编号40802171)、江苏省自然科学基金资助项目(编号BK2007145)、教育部首批”新世纪优秀人才”支持计划资助项目(编号NCET一04—0454)的成果，国际科技合作项目(编号2009DFA2680)。收稿日期：20081卜02；改回日期：2009—03—20；责任编辑：章雨旭。作者简介：肖琳，女，1981年生。博士。主要从事岩土体热特性方面的研究。电话：0

7、2087312090；Email：ellaxiao@163．corn。第4期肖琳等：土体内在结构对热导率计算模型的影响研究导致测试结果偏小。表1土颗粒热导率值缓彩彩形缀Table1Thethermalconductivityofsoilparticles}颗粒热导率形钐彩；；；彩彩土样种类土样名称[w／(m▲K)]羹S13．370(b)—12彤钐黝叠粪鋈kil5．370DY2一原12．415图1并联模型、串联模型及EMT模型2一原23粉砂DY．358(热流方向为水平方向)S23．370Fig．1Theparallelmodel，serialmodela

8、ndtheS33．370EMTmodel(ThedirectionS43．370F11．940