酸碱度、压力对冰水融化速率影响的实验研究

摘要

冬季积雪、深部软岩巷道流变、高原冻土翻浆等现象给我们的日常生活和工程建设带来了极大的不便，因此材料固流转化的理论具有重要的理论意义和应用价值。材料的范围非常广泛，因此固流转化理论涉及到很多学科。本文从软岩流变及聚合物流变等方面阐述了材料固流转化的过程，着重介绍了冰水固流转化的现象的机理。融冰现象伴随着相变的发生，文章介绍了相变传热学原理以及冰水融化模型，推导了导热微分方程。
　　本文在恒温状态下，通过对不同酸碱度溶液形成的冰块进行融化实验，发现酸性越强时，冰的融化速率越快;然而呈碱性的溶液形成的冰块融化速率反而有所降低，当氢氧化钠的溶度增大到一定的程度时，融化速率会提升。所得的结论都是在稀盐酸或者氢氧化钠溶液的酸碱度在1到14之间情况下得出。通过不同压力载荷下冰块融化速率的实验研究，发现随着载荷的增大，冰块的融化速率也呈增大的趋势。但是达到一定的程度，这种趋势将会趋于平缓，这也跟实际的自然现象相符合。通过利用MATLAB对实验数据进行曲线拟合，得出适合于本实验范围内的经验公式。
　　文章最后基于FLUENT对冰水融化过程进行数值仿真模拟，考察了冰块液相率随时间的变化趋势。结果显示，模拟过程跟实际实验过程基本相吻合，这对实验结论进行了验证。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 材料固流转化研究现状

1．2．1 软岩固流转化的研究现状

1．2．2 聚合物固流转化的研究现状

1．2．3 金属材料固流转化的研究现状

1．2．4 冰水固流转化的研究

1．3 本课题的来源和主要研究工作

2 材料固流转化理论基础

2．1 岩石流变机理

2．1．1 岩石宏观破坏的机理

2．1．2 温度对岩石流交的影响

2．1．3 渗流对岩石破坏的影响

2．1．4 解耦策略的研究

2．2 聚合物固流转化机理

2．2．1 剪切速率、剪切应力对高聚物固流转化的影响

2．2．2 温度对高聚物固流转化的影响

2．2．3 压力对高聚物固流转化的影响

2．2．4 分子量对高聚物固流转化的影响

2．3 金属晶体熔化机理

2．3．1 晶体熔化的经典热力学表述

2．3．2 晶格失稳准则

2．4 本章小结

3 传热学基础及融冰模型

3．1 固液相变传热

3．1．1 结冰、融冰相交问题的特点

3．2 数值求解方法

3．3 相变传热问题的基本理论

3．3．1 界面方程的推导

3．3．2 界面方程的无量纲化

3．4 相变导热问题的数学模型

3．4．1 网格划分方法

3．4．2 相变导热问题的模型

3．4．3 导热方程的推导

3．4．4 融冰过程中的量化关系的描述

3．5 本章小结

4 冰水融化实验

4．1 实验器材

4．1．1 RPH-80型恒温恒湿试验箱

4．1．2 恒温恒湿试验箱的主要参数指标

4．2 实验内容及步骤

4．2．1 实验研究内容

4．2．2 实验步骤

4．3 实验方案

4．4 实验结果

4．4．1 实验一结果

4．4．2 实验二结果

4．5 实验数据处理

4．5．1 曲线拟合工具箱拟合原理

4．5．2 MATLAB CFTOOL工具箱拟合原理

4．5．3 MATLAB CFTOOL工具箱拟合步骤

4．6 拟合结果分析

4．6．1 实验一数据处理分析

4．6．2 实验二数据处理分析

4．7 本章小结

5 融冰实验数值仿真分析

5．1 FLUENT简介

5．1．1 FLUENT组成部分

5．1．2 FLUENT数值计算基本思想

5．1．3 FLUENT软件融化／凝固模型

5．2 基于FLUENT融化／凝固模型的模拟分析

5．2．1 酸碱度对融冰速率影响的模拟仿真

5．3 结果分析

5．4 本章小结

结论及展望

参考文献

致谢

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