针对冻结工程灾变过程中渗水孔隙等灾害源在地下水热流侵蚀作用下逐渐扩展的过程进行了研究,在一定假设条件下建立了柱坐标系下基于对流换热边界条件(第三类边界条件)的相变传热数学模型。在对原偏微分方程无量纲化处理后,采用了对数形式分布的热积分平衡方法(HBIM)求解;对于同一问题,在变量代换的基础上采用了基于乘方定律格式的有限差分数值方法进行了求解。对于侵蚀相变位置的求解,两种方法的计算结果吻合良好,在计算的时间范围内,两者最大偏差不超过1%。研究结果表明:史蒂芬数St、毕渥数Bi、以及过冷系数φ为侵蚀相变界面位置随时间变化规律的主要影响因素;在不同参数组合情况下,侵蚀相变位置随时间均呈现出近似线性变化规律;在其他参数不变的条件下,St,Bi增大一倍时,侵蚀相变速率均增加一倍左右,而φ增加一倍时,侵蚀相变速率仅减小了5%。进而说明在实际工程中,降低冻土的平均温度能够减缓侵蚀相变速率,但作用十分有限;相反,降低水流温度或者减缓水流的流速等措施则能够有效减缓水流侵蚀速率。利用本文结果预测实际冻结工程灾变过程时,需考虑土壤性质的不同以及地下水温度、对流换热系数等随孔径变化带来的影响,可将由本文方法得...

为研究冻土区工程水热分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出了冻土水热变化的耦合关系式。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序,对中俄输油管道漠大线进行模拟。通过模拟结果与实测数据对比验证了应用模型计算程序的可靠性。应用程序分别对冻土区路基与埋地管道的水热分布变化进行模拟分析。对于冻土区斜坡路基:冻土斜坡路基的融化界面随时间增加而逐年降低,融化界面与水分富集层位置相近,均呈倾斜分布,影响斜坡路基的稳定性。对于冻土区埋地管道:管道长期运营加剧其周围多年冻土上限下降,管道附近10年后的下降约为天然情况下的4倍。

为了研究土体冻结过程中温度传导与水分迁移的变化,在不饱和土理查德斯方程的基础上考虑相变作用建立了一维土体冻结过程的水热耦合模型。分别应用有限差分与有限元方法对模型进行离散化,得到两种方法各自的数值计算程序。同时对土体室内单向冻结实验进行模拟,将两种数值方法得到的土体冻结深度、冻结速率与温度变化分别与实验结果进行对比。结果表明:对于一维冻结问题,有限差分模拟更接近实验结果,有限元模拟具有更高的计算稳定性。

为了深入研究积雪覆盖边界条件下的土壤水分迁移规律,通过冬季野外土壤水分观测试验,利用土壤水动力学理论,建立了稳定积雪覆盖条件下季节性冻土水分迁移模型。研究结果表明,积雪覆盖土壤比裸地平均地温高出1℃,土壤体积含水率(土壤剖面0～100cm内)高出2%,体现了积雪覆盖不仅能够阻碍土壤热量散失,而且能保持土壤墒情;建立的水分迁移模型能够精准的模拟积雪覆盖条件下冻结土壤水分迁移动态,其相对平均误差仅为3.51%。研究结果对于丰富和完善冻土水分迁移理论,解决春旱和冬小麦"冷拔"等问题具有重要的理论和实践意义。

利用有限差分方法,分析隧道联络通道结构施工时混凝土水化热对人工冻结形成的冻土帷幕的影响。混凝土水化热的释放使得混凝土内温度急剧上升,之后受冻土帷幕低温和混凝土永久支护边界散热的影响,温度逐渐下降。混凝土水化热大量释放期间,冻土帷幕局部升温并融化,相界面移动迅速,并达到最大值。之后温度回落,经过几天的降温后,冻土开始回冻,冻土帷幕回冻速度比较缓慢。分析结果表明,常见的盾构隧道联络通道结构浇注的混凝土始终不会进入负温状态,混凝土不会因为冻土帷幕低温影响遭受冻害。

提出了一种基于Shape-from-Shading的月球表面三维形状恢复算法。首先分析了在太阳光照射下月球表面成像模型,建立了使用Lommel-Seeliger反射模型描述的反射图方程。然后用有限差分近似微分运算,将反射图方程所示的一阶变系数线性偏微分方程进行离散化处理,得到关于表面高度函数的代数方程。进而采用超松弛迭代法进行求解,获得月球表面三维高度函数值。最后使用合成图像和实际月球图像进行三维形状恢复仿真实验。实验结果表明提出的算法可以有效地恢复月球表面三维形状。

以Alaska北极美国Barrow气象观测站的地温观测资料和土壤热物理参数为基础,以伴有相变问题的一维热传导方程的有限差分法为工具,在考虑和忽略未冻水2种情形下模拟了Barrow地区0.29,0.50和1.0 m深处的地温值,并与观测值进行了比较.计算结果表明,未冻水对冻土热状况数值模拟结果有很大影响.

基于冻土的蠕变特性和本构方程,应用FLAC3D程序进行了基坑开挖的数值计算。计算结果表明,基坑开挖暴露时间对其变形有较大的影响;增大冻土墙厚度可以有效的控制基坑的变形量;数值模拟结果为冻土墙设计与施工提供科学的依据。