武文华[1]2002年在《非饱和土中热—水力—力学—传质耦合过程模拟及土壤环境工程中的应用》文中提出近年来，工程土障在很多国家成为处置市政废料和工业垃圾的重要设施。通常工程土障系统处于热—水力—力学—传质等多物理化学过程的耦合作用中。温度能导致土障材料的力学—水力性质变化，同时也将引起土障结构中应力应变状态的变化。如果土体应力超过其屈服应力，则土障将出现不可恢复的塑性应变，甚至导致破坏。污染物不但可能通过化学反应产生热量，且其生成的污染物淋滤液将直接腐蚀土障材料。因此，对整个垃圾填埋场进行全耦合过程的物理化学行为和长期有效性分析十分重要。本论文以岩土环境工程中工程土障防止固体废弃物对周边土壤环境和地下水资源污染的长期有效性为研究目标，研究工程土障的耦合问题数值分析中提出的科学和计算方法问题。 土壤作为在细观上由固、液两相(饱和土)或固、液、气叁相(非饱和土)组成的多孔多相介质具有非均匀的结构。一个基本和重要的模型化假定是多孔多相介质在宏观上的均匀化连续介质模型。在此模型中假定每个相均同时充满了饱和土或非饱和土的全域。即在介质的每个点假定存在所有各相。因而可以在多孔多相介质中应用连续介质力学理论框架对域内每个点建立存在相互耦合作用的二相或叁相系统的模型。 本论文从总结大量实验结果的基础上进一步完善已有的多孔多相介质数学模型，使其更适合于定量描写非饱和土中的热—水力—力学—传质(污染物输运过程)耦合行为。在所建立的数学模型中更充分的考虑了温度对土壤水力、力学性质的影响。并考虑土壤中水力—力学之间的耦合作用。发展了相应的有限元数值求解过程。通过数值计算和实验结果的比较，证明模型可靠且实用。 为避免土障出现裂缝和破坏，对土障进行弹塑性分析十分必要。就作者的知识而言，在国内外迄今还没有能适用于非饱和土热—水力—力学耦合过程的本构模型。本文将在总结针对非饱和土等温和非等温大量实验结果基础上，并结合现在被广泛应用的非饱和土CAP模型，提出了一个非饱和土的热—水力—力学耦合本构模型。通过与实验结果的比较以及对标准考题的校核，证明此本构模型能够描述非饱和土中由温度引起的土体变形和水力性质的变化等。对土壤环境力学及工程和相关学科的发展具有重要意义。 现在被广泛认知的控制饱和与非饱和土中污染物输运过程的是对流、扩散等六个机制，通过对模型化为多孔多相介质的饱和与非饱和土中各相建立污染物质量守恒方程形成了包含所有六个控制机制的对流—扩散方程。对流—扩散方程因其中对流项的非自伴随特征给数值求解带来了困难。同时，工程土障的长期有效性分析对污染物传输的瞬态过程数值分析提出了发展适应大时间步长算法的要求。本文针对已有的求解对流—扩散方程算法的缺点和局限性，发展了一个无条件稳定的隐式特征线Galerkin法。该方法能够在大Peclet数和大Courant数的条件下求解对流—扩散方程，且能够保证足够高的计算精度。 工程土障的材料参数识别对于土障材料的有效使用、工程土障数值分析和设计十分重要。Foca土是一种重要的工程土障材料。但是迄今还没有一套完整的参数对其中耦合本构行为作做全面描述。本文在利用对Foca土大量实验的基础上，对Foca土进 摘 要行本构模型参数分析和识别，获得适合非饱和／饱和土的Alonso．Gens模型的参数。为以Foca土为工程土障材料的数值模拟提供了真实材料参数。 最后，根据所发展的热一水力一力学本构模型以及污染物输运的隐式特征线Galerkin法，利用由实验结果而识别的工程土障材料的力学一渗流参数，对工程土障进行热一水力一力学一（污染物）传质耦合过程的长期行为进行了预测和分析。并分别考虑不降水和降水两个过程中废弃物中污染气体和污染水的输运过程。 整个数值分析结果不但可以对工程土障及周边土域提供从材料性质到工程结构设计的评估，而且也能够对深入了解土障系统中所发生的传热和传质过程等问题提供可借鉴的参考。
刘泽佳[2]2005年在《多孔介质中化学—热—水力—力学耦合分析与混合元方法》文中研究表明近年来,非饱和多孔介质的热—水力—力学耦合行为的研究引起了工程界的广泛的注意。人们已经投入了很大的精力来进行多孔介质瞬态THM耦合行为的定量研究。 本论文致力于这个课题的叁方面的工作:1)建立了求解多孔介质中化学—热—水力—力学耦合行为的数学模型;2)发展了这个数学模型初值、边值问题的混合元方法的数值解法;3)建立多孔介质中的化学—热—水力—力学(CTHM)耦合本构模型。 这个数学模型由一组偏微分方程组成:包括孔隙水、孔隙气的质量守恒方程;混溶于孔隙流体中的化学污染物的质量守恒方程;热量守恒方程和多孔介质混合物的总体动量守恒方程。为了模拟混溶污染物在非饱和多孔介质中的传输,模型中包含了污染物传输的六种控制机制:对流、分子弥散、机械逸散、吸附、降解、不动水效应。 采用有限元法求解数学模型的初值、边值问题。考虑到化学污染物质量守恒方程在物理上的对流—扩散的特性和数学上的非自伴随和双曲线的特性,采用交错算法进行求解,即:对化学污染物的质量守恒方程和其余的控制方程分别进行离散和求解。 化学污染物的质量守恒方程采用依赖于时间的对流—扩散方程的隐式特征线Galerkin方法进行离散和求解,其中污染物的浓度作为基本未知量。该方法的基本思想是对浓度在时域中进行针对物质粒子(Lagrangain)而不是空间点(Eulerain)的离散。 非饱和多孔介质中热—水力—力学(THM)耦合行为的有限元模拟通常要求解u-p_w-p_a-T混合形式的方程。混合方程的基本未知数u,p_w,p_a,T分别为固相位移、孔隙水压力、孔隙气压力和温度。位移场、水压力和气压力场及温度场分属于不同的函数空间,因此应该对他们采用不同的有限元插值近似,以进行满足自然边界条件的耦合控制方程弱形式的空间离散。 流体和固体力学u-p混合形式的有限元公式研究表明,u-p有限元插值的函数空间必须满足Babuska-Brezzi条件或更简明的Zienkiewicz-Taylor分片试验。这些限制条件判定了应用方便的位移(或速度)和压力采用等阶插值的低阶形函数的单元在不可压缩条件下压力场会产生虚假的数值振荡。 与u-p形式的混合公式相比,非饱和多孔介质的u-p_w-p_a-T公式更加复杂,求解以u,p_w,p_a,T为基本未知数的整体半离散方程、高斯积分点上耦合的非线性本构方程迭代及计算一致性切线模量矩阵所需要的时间要长很多。因此就更加迫切需要发展低阶高精度粗网格的有限元方法避免虚假的数值振荡,同时在满足数值计算精度基础上又能降低计算费用。 本论文基于一点积分混合应变元在固体中的成功应用,提出了饱和、非饱和多孔介质中THM耦合问题的稳定的一点积分混合应变元。本文提出的偏微分方程组的Galerkin弱形式基于固体力学中的胡海昌-Washizu叁变量广义变分原理,将之推广到由固体骨架和不混溶的两种孔隙流体组成的叁相非饱和多孔介质与温度场的相互作用的耦合场分析中。
参考文献：
[1]. 非饱和土中热—水力—力学—传质耦合过程模拟及土壤环境工程中的应用[D]. 武文华. 大连理工大学. 2002
[2]. 多孔介质中化学—热—水力—力学耦合分析与混合元方法[D]. 刘泽佳. 大连理工大学. 2005
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