冻土温度场水分耦合模拟：ANSYS在人工冻结法中的应用

冻结壁温度场水分场耦合分析研究是针对深层表土矿井开挖中广泛应用的人工冻结法施工技术的一项深入探讨。作者杨玉贵、高峰等人在中国矿业大学理学院开展的研究中，利用ANSYS软件的二次开发功能，设计了一套能够考虑水分场对温度场参数影响的APDL和UPFS程序。该程序的主要目标是模拟和理解冻结过程中温度场和水分场的分布特性，以及它们随时间的变化规律。 在冻结壁温度场的数学模型中，假设只有液态水参与热传输过程，并忽略了气相影响，问题简化为平面问题。温度场在冻结壁形成之前，受每个冻结管影响，呈现近似的轴对称特性。研究的核心方程（1）反映了温度随时间、空间和冰体积含量的变化，同时考虑到潜热释放对热传导的影响。潜热并非仅限于某一特定区域，而是在整个负温区域都会发生，这使得冻结温度场成为一个具有相变、移动边界、内热源和复杂边界条件的不稳定导热问题。 冻土中的水分迁移遵循达西定律，而整体冻土的物理参数，如密度、比热容和导热系数，会因为冻结过程中水变成冰而发生变化。研究者通过数值模拟，结合实际测试数据，验证了ANSYS二次开发程序在预测冻结壁温度场方面的有效性。这种方法对于工程师来说，能帮助他们准确地评估冻结质量，确定最佳开挖时机和制定施工方案，从而提高施工效率和安全性。 这项研究对于理解和优化深井冻结施工技术具有重要意义，它不仅提供了计算工具，还揭示了冻土温度场和水分场耦合作用的复杂性，为冷冻法在地下工程中的实际应用提供了科学依据。