多组分-多孔岩土介质导热系数预测理论模型研究

摘要

岩土介质导热系数是表征其热传导能力的基本物性参数，该参数的准确与否直接影响到能源与环境领域诸多岩土传热传质有关现象、作用和灾害产生机理等基础研究工作的精度和准确性。但是，由于岩土介质的复杂性，针对其导热系数确定技术与方法的研究相对于岩土传热传质及多物理场耦合模型研究的热度而言，存在明显的滞后。有鉴于此，本文采用理论建模、室内实验和数值模拟三种方法，聚焦岩土介质多组分-多孔结构特征，对其导热系数预测模型进行了系统研究。 首先，以复合材料有效特性研究基本混合理论模型为基础，分析了适用于多组分岩土介质导热系数预测基本混合理论模型的精度、应用范围及其一般性变化规律。针对基本混合理论模型统一表达式不能够有效退化为串联模型的问题进行了修正与退化过程分析，以此为基础建立了岩土介质导热系数预测组合结构模型。结果表明，基于基本混合理论模型的算术平均组合结构模型预测导热系数精度最优，是目前已有文献对该类组合结构模型研究与应用较多的主要原因。 其次，以多尺度研究的均质化思想为基础，聚焦颗粒几何形状特征，补充和改进了多组分-多孔岩土介质导热系数预测圆柱形单元结构模型。结果表明，与原模型相比，改进型模型提高了与实验测试结果的吻合度（与实验结果的差异性比值由1.58降至1.27）；补充型模型则与原模型组成了完整的孔隙率覆盖[0,1]全范围。进一步通过土水特征曲线类比，提出了统一性岩土介质土-水-导热系数特征曲线及其演化概念模型，揭示了不同组分-结构岩土介质导热系数随饱和度增加呈现出的“凸形”与“凹形”增长关系，可统一表征岩土材料导热系数与饱和度关系曲线。 再次，引入分形几何理论描述岩土介质孔隙结构，给出了通过孔径尺寸分布确定表征单元体（REV）尺度的近似判据，即岩土介质可以近似选择其内部最大孔径5倍的立方体单元作为相关研究的REV。结合土科学中的毛细管模型，考虑孔隙尺度对空气导热系数影响-即克努森效应，建立了多组分-多孔岩土介质导热系数预测分形-毛细管理论模型，沟通了岩土介质组分、微细观结构与宏观导热系数间的关联，提供了一种不同于以传统欧式几何为基础的分析方法和途径。 最后，采用SEM和CT技术对典型岩土试样表面与内部微观结构进行了表征与可视化分析，以CT图像三维重构模型为基础，开展了一维稳态导热有限元模拟，并对本文理论、实验与模拟三种不同方法获得的导热系数进行了综合对比。结果表明，组分导热系数的差异性使岩土介质复杂孔隙结构、空间分布及其各向异性影响温度场分布，导致不同相边界热流发生汇聚、发散和变向，改变了导热过程的换热量，最终引起岩土介质导热系数的变化、造成了该参数研究工作的复杂性。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 问题的提出 (Bring Forward the Questions)

1.2 国内外研究现状 (Review of Researches at Home and Abroad)

1.3 研究内容、方法及技术路线(Research Contents and Approaches)

2 多组分岩土介质导热系数基本混合理论模型

2.1 基本混合理论模型及普适性变化规律 (Analysis on Basic ETC Mixing Law Prediction Models and General Change Law)

2.2 统一性混合理论模型修正及退化分析(Unified ETC Mixing Law Prediction Models Modification and Degradation Analysis)

2.3 基于混合理论模型的组合结构模型及方程体系 (Flexible Models Based on Basic S-P and HS(ME) Boundary Models and Their Equations System)

2.4 实验验证与讨论分析 (Experiments Validation and Discussion)

2.5 本章小结(Chapter Summary)

3 多组分-多孔颗粒岩土介质导热系数单元结构模型

3.1 改进型圆柱单元结构模型假设及参数关系 (Hypotheses and Parameter Relationships on Enhanced Cylinder Unit Cell Model for Predicting the ETC of Composite-Porous Granular Geomaterials)

3.2 集总参数热阻分析法建模及其方程体系 (Thermal Resistivity Lumped Parameter Model Establishment of the Enhanced Cylinder Unit Cell and Its Equations System)

3.3 改进型模型验证与分析 (Model Validation and Discussion on Enhanced Cylinder Unit Cell Model)

3.4 补充型圆柱单元结构模型假设及参数关系 (Hypotheses and Parameter Relationships on Supplementary Cylinder Unit Cell Model for Predicting the ETC of Composite-Porous Granular Geomaterials)

3.5 补充型圆柱单元结构模型建立及方程体系 (Establishment of Supplementary Cylinder Unit Cell Model and Its Equations System)

3.6 补充型模型验证与分析 (Model Validation and Discussion on Supplementary Cylinder Unit Cell Model)

3.7 统一性土-水-导热系数特征曲线概念模型及其演化机制(Unified Soil-Water-Thermal Conductivity Characteristic Curve (SWTCC) Conceptual Model and Its Evolution Mechanism)

3.8 本章小结(Chapter Summary)

4 多组分-多孔岩土介质导热系数分形-毛细管模型

4.1 分形理论基础 (Foundation of the Fractal Geometry Theory)

4.2 毛细管（束）理论模型基础 (Foundation of the Theoretical Capillary Bundle Model)

4.3 孔隙几何参数关系与 REV 尺度判据 (Geometric Parameter Relationships of Pores and the Criterion of Determining REV Size)

4.4 孔隙尺度对空气导热系数影响-克努森效应(Effect of Pore Size on the Thermal Conductivity of Air-Knudsen Effect)

4.5 分形-毛细管理论模型及其方程体系 (The Fractal Capillary Bundle Model and Its Equations System)

4.6 模型验证与讨论分析 (Model Validation and Discussion)

4.7 本章小结 (Chapter Summary)

5 岩土介质微细观结构表征及导热模拟

5.1 表面形态与导热特性的 SEM 图像分析 (SEM Digital Image Analyses on Surface Morphology and Heat Conduction)

5.2 基于CT图像岩土试样孔隙结构三维重构 (3D Reconstruction for Porous Structure of Geomaterials Based on CT Imanges)

5.3 岩土试样三维重构孔隙结构细观表征与分析(Mesoscopic 3D Characterization on Pore Structure of Reconstructed Geomaterials)

5.4 基于三维重构REV结构岩土介质导热模拟 (Heat Conduction Simulation Based on the Reconstructed REV Structure)

5.5 本章小结(Chapter Summary)

6 结论及展望

6.1 主要结论(Summary and Conclusion)

6.2 研究展望(Further Research)

参考文献

作者简历

学位论文数据集