Numerical heat transfer in freezing and thawing soil

• Autorzy: Kozłowski T.

Warianty tytułu

PL

Numeryczne modelowanie przepływu ciepła w zamarzającym i rozmarzającym gruncie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A finite difference scheme, which can be easily used for PC-programming to solve one-dimensional problems associated with soil freezing and thawing is presented. The method takes into account the real phase equilibriums in soil-water system, thereby being better interpretable both physically and in terms of soil mechanics. Some detailed values and solutions related to soil thermal properties are given, among them, particularly, the freezing point T0 and the unfrozen water content function u(T) are discussed. A program based on the model is a relatively simple and convenient tool for calculating frost or thaw penetration in stratified ground with air temperature varying in a complicated manner. Its efficiency has been verified by comparing calculated frost-depths with those measured in a laboratory test and obtained by use of the Stefan formula.

PL

Zaprezentowano numeryczny schemat różnicowy umożliwiający symulację jednowymiarowego przepływu ciepła w zamarzającym i rozmarzającym podłożu gruntowym. Metoda bierze pod uwagę rzeczywiste równowagi fazowe w systemie wodno-gruntowym, tym samym jest interpretowalna zarówno fizycznie, jak i w kategoriach mechaniki gruntów. Podano efektywne rozwiązania dotyczące wyznaczania parametrów cieplnych gruntu, w tym w szczególności obniżenia punktu zamarzania T0 i parametrów funkcji opisującej zawartość wody niezamarzniętej u (T). Program napisany na podstawie prezentowanego modelu stanowi wygodne narzędzie do wyznaczania rozkładu temperatur i obliczania zasięgu strefy przemarzania i rozmarzania w warstwowanym podłożu przy dowolnie skomplikowanej zmienności temperatur powietrza. Jego efektywność zweryfikowano porównując obliczone głębokości przemarzania z wartościami obserwowanymi w laboratorium i otrzymanymi przy użyciu równania Stefana. Podano złożony przykład obliczeniowy dla warstwowanego profilu gruntowego i rzeczywistego przebiegu temperatur powietrza dla stacji meteorologicznej Kielce w okresie od listopada 2002 do stycznia 2003.

Słowa kluczowe

PL

przepływ ciepła; grunt; zamarzanie; rozmarzanie; modelowanie numeryczne; parametr cieplny; rozkład temperatur; strefa przemarzania

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 50, nr 1
• Strony: 101--119
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il.

Twórcy

autor

Kozłowski T.

• University of Technology, Department of Geotechnics, Kielce

Bibliografia

• 1. M. B. ALLEN, I. HERRERA,G. F. PINDER, Numerical modelling in science and engineering, John Willey & Sons, New York 1988.
• 2. D. M. ANDERSON, A. R. TICE, Low temperature phases of interfacial water in clay-water systems, Soil Sci. Soc. Am. Proc., 35(1), 47-54, 1971.
• 3. H. D. BAEHR, K. STEPHAN, Heat and mass transfer, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1998.
• 4. D. BLANCHARD, M. FREMOND, Soils frost heaving and thaw settlement, [in:] Ground Freezing, Proceedings of The Fourth International Symposium on Ground Freezing, A.A.Balkema, Rotterdam/Boston, 209-216, 1985.
• 5. A. M. COMES-PINTAUX,M. NGUYEN-LAMBA,Finite-element enthalpy method fordiscrete phase change, Num. Heat Transfer, 9,403-417, 1986.
• 6. N. E. DORSEY, Properties of ordinary water substance, Rein. Pub. Corp., New York 1940.
• 7. O. T. FAROUKI,Thermal properties of soils, Trans Tech Publications, Clausthal-Zellerfeld 1986.
• 8. M. FUKUDA, Z. JINGSHENG, Hydraulic conductivity measurements of partially frozen soil by needle probe method, [in:] Frost in Geotechnical Engineering, VTT Symposium 94, Espoo, 251-266, 1989.
• 9. L. E. GOODRICH, Efficient numerical technique for one-dimensional thermal problems with phase change, Int. J. Heat & Mass Transfer, 21, 615-621, 1978.
• 10. I. ICKIEWICZ, A. PANEK, Model numeryczny obliczania głębokości zamarzania gruntu, Archiwum Inżynierii Lądowej, 36, 1-2, 157-165, 1990.
• 11. A. R. JUMIKlS, Thermal geotechnics, Rutgers Univ. Press, New Brunswick 1977.
• 12. T. KOZŁOWSKI, Investigation of the supercooling in clayey soils, [in:] Frost in geotechnical engineering, VTT Symposium 94, Espoo, 293-300, 1989.
• 13. T. KOZŁOWSKI, Freezing point depression of soil water as a function of mineral composition and physical properties, Archives of Hydro-engineering and Environmental Mechanics, 41, 3-4, 25-36, 1994.
• 14. T. KOZŁOWSKI, Influence of the total water content on the unfrozen water content below 0°C in model soils, Archives of Hydro-engineering and Environmental Mechanics, 42, 3-4,51-70, 1995.
• 15. T. KOZŁOWSKI, A comprehensive method of determining the soil unfrozen water curves; I: Application of the term of convolution, Cold Regions Science & Technology, 36(1-3), 71-79, 2003.
• 16. T. Kozłowski, A comprehensive method of determining the soil unfrozen water curves; 2: Stages of the phase change process in frozen soil-water system, Cold Regions Science & Technology, 36(1-3), 81-92, 2003.
• 17. T. KOZŁOWSKI, Soil freezing point as obtained on melting, Cold Regions Science & Technology, 38, 2-3, 93-101, 2004.
• 18. P. F. Low, Some thermodynamic relationships for soils at or' below the freezing point; I: Freezing point depression and heat capacity, Water Resour. Res., 4, 1968.
• 19. T. E. OCHSNER, R. HORTON, T. REN, A new perspective on soil thermal properties, Soil Sci Soc. Am. J., 65, 1641-1647, 2001.
• 20. M. SHEN, B. LADANYI,Numerical solutions for freezing and thawing of soils using boundary-conforming curvilinear coordinate systems, [in:] Frost in Geotechnical Engineering, VTT Symposium 94, Espoo, 391-400, 1989.
• 21. D. SHENG, S. KNUTSSON, K. AXELSSON, Verification and application of a numerical model for frost front penetration, [in:] Frost in Geotechnical Engineering, VTT Symposium 94, Espoo, 401-413, 1989.
• 22. G. D. SMITH, Numerical solution of partial differential equations, [in:] Finite Difference Methods, Clarendon Press, Oxford 1985.
• 23. M. W. SMITH, D. W. RISEBOROUGH, The sensitivity of thermal predictions to assumptions in soil properties, [in:] Ground Freezing, Proceedings of The Fourth International Symposium on Ground Freezing, A. A. Balkema, Rotterdam/Boston, 17-24, 1985.
• 24. E. T. STĘPKOWSKA, Simple method of crystal phase water, specific surface and clay mineral content estimation in natural clays, Studia Geotechnica, IV, 2, 21-36, 1973.