Physical statement of the problem for a numerical model of soil freezing and heaving taking into account heat and mass transfer

Abstract

Существуют два основных подхода решения задачи тепломассопереноса при численном моделировании промерзания грунтов: 1) решение методом конечных разностей с учетом граничных условий (границей, например, является фронт промерзания); 2) решение методом конечных элементов без учета границ модели. Оба подхода имеют существенные недостатки, что оставляет проблему решения задачи для численной модели промерзания грунтов острой и актуальной. В данной работе представлена физическая постановка промерзания, которая позволяет создать численную модель, базирующуюся на решении методом конечных элементов, но при этом отражающую ход фронта промерзания - то есть модель, в которой объединены оба подхода к решению задачи промерзания грунтов. Для подтверждения корректности модели был проделан ряд экспериментов по физическому моделированию промерзания модельного грунта и выполнен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных и результатов расчетов на базе представленной численной модели с такими же граничными условиями, как в экспериментах. There are two basic approaches to solving the problem of heat and mass transfer in the numerical modeling of soil freezing: 1) using the finite difference method taking into account boundary conditions (the boundary, for example, is the freezing front); 2) using the finite element method without consideration of model boundaries. Both approaches have significant drawbacks, which leaves the issue of solving the problem for the numerical model of soil freezing acute and up-to-date. This article provides the physical setting of freezing that allows us to create a numerical model based on the solution by the finite element method, but at the same time reflecting the route of the freezing front, i.e. the model that combines both approaches to solving the problem of soil freezing. In order to confirm the correctness of the model, a number of experiments on physical modeling of model soil freezing have been performed, and a comparative analysis of the experimental data obtained and the calculation results based on the provided numerical model with the same boundary conditions as in the experiments was performed.