| 双针热脉冲测定冻土热特性的数值模拟方法 |
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| 引用本文： | 张媛媛,刘湘君,赵天悦,赫刘台,何海龙,刘刚.双针热脉冲测定冻土热特性的数值模拟方法[J].农业工程学报,2024,40(11):92-99. |
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| 作者姓名： | 张媛媛 刘湘君 赵天悦 赫刘台 何海龙 刘刚 |
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| 作者单位： | 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193;西北农林科技大学资源与环境学院，杨凌 712100 |
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| 基金项目： | 国家自然科学基金资助项目（42077008； 41771257） |
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| 摘 要： | 使用双针热脉冲(dual probe heat pulse, DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化，使用目前常用的仅考虑热传导（忽略融化相变、冰水两相分界面）的解析解处理DPHP温度数据，会导致在-5 ℃至0 ℃温度范围内无法准确测量热导率 (λ) 和比热 (Cv)。为了能够准确测定冻土的 λ 和 Cv，有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热。该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程，采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟，并与真实冻土的DPHP测量数据对比。结果表明：1）COMSOL仿真在不考虑相变条件下与无限线性热源模型结果完全吻合（R2 = 0.9989）；2）当土壤初始温度低于-5 ℃时，考虑相变发生的COMSOL仿真能够准确模拟试验结果，表现出较高的相关性（R2 > 0.93），在-2 ～ 0 ℃的土壤初始温度范围内，无限线性热源模型的结果与试验测量显著偏离（R2 < 0.0013）；3）在不同土壤初始温度下，相变温度为-1.5 ～ -0.5 ℃的仿真结果与试验数据具有较高的相关性（R2 > 0.7）。本研究结果检验了有限元仿真用于真实冻土DPHP研究的可行性，可为准确预测冻土热特性的研究提供方法。
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| 关 键 词： | 冻土 数值模拟 热传导 双针热脉冲 移动边界 |
| 收稿时间： | 2023/9/27 0:00:00 |
| 修稿时间： | 2024/2/29 0:00:00 |
Numerical simulation method for measuring the thermal properties of permafrost by dual-probe heat-pulse sensor |
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| ZHANG Yuanyuan,LIU Xiangjun,ZHAO Tianyue,HE Liutai,HE Hailong,LIU Gang.Numerical simulation method for measuring the thermal properties of permafrost by dual-probe heat-pulse sensor[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2024,40(11):92-99. |
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| Authors: | ZHANG Yuanyuan LIU Xiangjun ZHAO Tianyue HE Liutai HE Hailong LIU Gang |
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| Institution: | College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China |
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| Abstract: | |
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| Keywords: | frozen soil numerical simulation heat conduction dual-probe heat-pulse move boundaries |
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