冻结夹杂物

分析融化的冻结夹杂物的影响

2020年 2月 4日

通过模拟气候变化的影响,科学家可以设计解决方案以减轻其潜在影响。气候学家希望可以解决北方寒带地区多年冻土的融化问题,并且能对这些地区产生影响和很好的正反馈。InterFrost 项目设计,以测试,评估。此处的示例通过使用热-水力方法对高于零度以上的土壤中融化的冷冻夹杂物进行建模,并与 InterFrost 标准案例进行比较。

什么是冷冻夹杂物?

冷冻夹杂物是指固体物质内部的一些冷冻物体,就像披萨(内部)需要微波加热后才能食用。不连续或零星的永久冻土是另一个例子:在多孔(但仍然是固体)土壤内部中冻结的冰块。水中的冰块属于另一类是冷冻夹杂物(冰块没有被固定)。

该图显示了COMSOL Multiphysics中的冻结夹杂物模型。
冷冻夹杂物的 3D 图:结果显示 9 小时后(白色表面)包裹体内的冰块、速度流线(颜色表示水头)和周围温度(等值面)。

对 COMSOL Multiphysics® 中的冻结夹杂物建模

在此示例中,您可以模拟冷冻夹杂物从冰到水这一相变过程。它是如何融化的?融化需要多长时间?还需要多长时间才能将所有冷水从冰冻的土壤中排出?

这种特定的模拟不仅对于气候学家和地球科学家特别有用,而且对于任何分析多孔介质中的相变感兴趣的人也很有用。在本教程中,我们考虑永久冻土。

给定的几何图形如下所示。这条通道长3米,宽1米。冷冻物长 33.3 厘米,位于(x,y)=(1,0.5)处,温度为 -5°C 。由于对称性,我们只模拟了通道的下半部分。

冻结包含模型的几何图像。

模型的几何形状,显示了初始温度分布和边界条件(零传导通量,零通量)。

有一些给定的数字,包括冷冻夹杂物的温度、水的温度、几何尺寸和水头的梯度。

此示例中有几个方程,最著名的是达西定律。您还可以假设以下内容:

  • 传热方程不考虑热弥散
  • 水的密度恒定不变
  • 水动力粘度恒定不变

分析仿真结果

冷冻夹杂物仅在大约20个小时后(模拟时间)融化了。但是,需要整整 56 个小时的模拟时间才能将较低的温度从通道中全部对流出去(这是因为多孔介质比自由介质更能保持温度)。让我们来看一下模拟结果…

9小时后,土壤中仍可见明显的冷冻夹杂物。

表面图显示了9小时后冷冻夹杂物中的温度分布。
面图显示了 9 小时后的温度分布。

56 个小时后,冰完全融化,较低的温度几乎脱离了通道。

模拟结果显示了56小时后冷冻夹杂物中的温度分布。
面图显示了 56 个小时后的温度分布。

尽管此标准模型只是一个简单的示例,但它表明研究人员可以通过仿真来分析相似或更复杂的问题。例如,如果冷冻夹杂物不是矩形而是正弦形状变化的,该怎么办?此外,模拟这样的问题可以帮助气候学家确定冰何时融化并导致水饱和,这将会引发许多地质问题。

第二种情况

为了使事情变得更有趣,让我们看看如果土壤中有两个冰块会发生什么。在实际情况下,多年冻土中会有许多冷冻夹杂物。首先,在几何图形中添加另一个冰块。

在一个域中具有2个冻结夹杂物的模型几何图像。

现在,让我们再次运行仿真程序。您认为会发生什么?

从上面的动画中我们可以看到,冰块最初以相同的速度融化,但是第二个冰块的融化速度在大约 9 小时后变慢了。您可以观察温度梯度的变化以了解原因。

起初,这些冰块彼此独立,各自融化。

两个孤立的冷冻夹杂物中的温度分布图。

一段时间后,第一个冰块的低温会向下移动到第二个冰块处。这降低了第二个冰块周围的温差,进而降低了其融化的速率。如下图所示,这在 18 小时非常清楚。

该图显示了18小时后2个冷冻夹杂物熔化。

第一个冰块在 21 个小时后融化,但是第二个冰块还有一段路要走,并且它仍会受到第一个冰块对其造成的温度梯度的影响。

该图显示了 29 小时后第二个冷冻夹杂物熔化。

第二个冰块融化需要 29 个小时(第一个冰块融化后的第 9 个小时),低温从通道中对流出需要 56 个小时。

结论

冷冻夹杂物的融化可能很难通过解析的方法来解决,但是可以使用热-水力方法来模拟简单或复杂的问题。如该标准模型,后续示例和 InterFrost 项目所示,仿真是一种强大的工具,可用于对永久冻土融化进行建模并预测北方地区气候变化的影响。

下面是如何使用 COMSOL Multiphysics 来创建有关环境问题的模型和示例:

通过单击下面的按钮,尝试使用 “冷冻物” 教程模型自己对冷冻夹杂物的融化进行建模。这样做将带您到案例库中,在那里您可以下载其他 PDF 文档和 MPH 文件(带有 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证)。


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