山西省宁武县万年冰洞持续存在机制数值模拟

摘要

在年平均气温高于0℃的自然条件下存在少量常年保存有冰体的洞穴,这是一种十分罕见的现象。山西宁武"万年冰洞"是国内已发现的规模最大的冰洞,如何合理解释其内部冰体的形成和保存机制是一个科学难题。本文通过有限元暂态数值计算,模拟冰洞四季热传递过程认识到,冰体得以持续存在的控制因素有2个:(1)冬季外部空气比冰洞内空气冷,外部冷空气通过冰洞口,与冰洞内空气发生自然热对流,使冰洞内部冷却;春、夏、秋季外部空气比冰洞内热,冷空气沉在洞底,效率很低的热传导不足以使冰洞内温度显著上升。(2)由于冰-水相变潜热作用,即使夏季靠近洞口部分冰体融化,也需吸收大量热量,从而进一步阻止冰洞内部冰体的融化。计算结果显示,如果一些冰洞开发为游览景点后在洞口设置密封门,切断冬季冷空气进入洞内自然对流冷却洞体的通道,冰洞内冰体在不到40年时间内将全部融化,"万年冰洞"将被人为破坏。