多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证

摘要

基于连续介质力学原理和混合体理论,导出多孔介质多相流THM全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的动量、质量及能量守恒出发,考虑应力–应变、水体流动、气体传输、蒸气传输、热能传输和孔隙率演化等6个过程的耦合作用,实现对相变、溶解、热驱动、湿度传输和吸湿膨胀等物理现象的模拟,确保THM耦合控制方程组的封闭性和协调性。该模型在THM耦合体系中纳入气体及蒸气传输过程,摒弃以往采用基质吸力和绝对温度定义相对湿度的传统方法,从而使描述介质气体和蒸气运移特性以及THM耦合特性的相对湿度在严格的物理意义上加以定义。通过选取位移、水压、气压、蒸气压、温度和孔隙率为基本未知量,建立有限元数值计算格式,研发三维八自由度多相流THM全耦合有限元程序THYME3D,并采用法国原子能委员会开展的膨润土THM耦合Mock-up试验对数值模型和计算程序进行验证,揭示试验过程涉及的多场耦合机制。研究结果深化对多相流THM全耦合控制方程组、本构关系及计算参数特性的理解,从而为进一步研究THMC全耦合问题奠定基础。