传统道碴路堤温度场分析

元计算

1.        问题描述
图1为传统道碴路堤模型示意图。忽略风的作用，考虑气候变暖对传统道碴路堤长期热稳定性的影响。以下对其修筑完成后第2年和第50年的温度场进行分析。考虑对称性，取一半为研究对象。


图1 传统道碴路堤模型示意图
2.        区域内控制方程

在计算中对于含水介质中相变潜热问题采用显热容法进行处理，假设模型中含水介质相变发生在温度区间(Tm±ΔT)。当建立等效体积热容时，应考虑温度间隔ΔT的影响， 同时假设介质在已冻、未冻时的体积热容Cf和Cu及导热系数λf 和λu不取决于温度，因此简化构造出Ce*和λe*的表达式如下：

式中：L为含水介质单位体积相变潜热。
3.        材料参数
各介质材料参数见表1。
表1 路堤结构中各介质的物理参数

4.        边界条件与初值条件
4.1.        给定温度
考虑全球气候变暖的影响，取青藏高原未来 50年年平均气温上升 2.6 ℃，设初始年平均气温为-4.0 ℃，对各计算模型的热边界条件进行如下设定：
天然地表 AB和 IJ的温度按下式变化：

路堤斜坡 BCDE和FGHI 的温度按如下规律变化：

路堤顶面 EF的温度变化规律为：

式中：th为时间变量，当α0=0时，th=0对应的初始时间为7月15日
4.2.        给定热流密度：

4.3.        初值条件

5.        时间步设定：
　        起始时间        终止时间        时间步长
定义计算数据/s        0         63072000         432000
对应实际时间        第1年7月15日        第3年7月15日        5天
试算两年，共146步；
第2年 7月15日对应为第73步；
第2年10月15日对应为第91步；
6.        网格剖分
四节点四边形、三节点三角形



7.        结果
第2年10月15日温度分布云图

等值线图