饱和多孔介质的热力耦合响应及变分原理

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本文基于多孔介质理论,在流固两相微观不可压和固相小变形的假定下,对流体饱和线弹性多孔介质的热力耦合响应及变分原理进行了研究,主要工作如下:首先,基于多孔介质理论,在流固两相微观不可压和固相骨架小变形的假定下,考虑流体粘性,建立了非局部热平衡不可压流体饱和线弹性多孔介质热力耦合的动力学数学模型。 其次,利用Fourier级数,研究了饱和多孔介质平板通道中Darcy理想流体发展传热强迫对流非局部热平衡下固相骨架和孔隙流体的温度分布特征。考虑流体流动方向的热传导效应以及流固两相相互作用的粘性耗散,根据非局部热平衡的两能量方程模型,得到了孔隙流体稳态流动壁温为常数时多孔介质固相骨架温度和孔隙流体温度分布的解析解。数学上严格证明了当两相间的热交换系数趋于无穷大时,两能量方程的温度解趋于局部热平衡时一能量方程的温度解。针对不同的无量纲参数,给出了固相和流相的温度分布特征,通过参数研究,揭示了非局部热平衡强迫对流时温度分布对参数的依赖关系。 第三,在得到非局部热平衡强迫对流温度分布的情况下,根据平板通道的几何特征,假定固相骨架只存在垂直于轴向的位移,研究了饱和多孔介质平板通道理想流体强迫对流中非局部热平衡时的热应力问题,求解了固相骨架的位移和相应的热应力,数值考察了各种物性参数对热应力分布的影响,并且讨论了局部热平衡模型的适用性。 第四,忽略流固两相相互作用的粘性耗散等非线性因素,得到多孔介质热-力-流耦合的线性数学模型,在此基础上,建立了相应的Gurtin型变分原理和广义变分原理,同时给出了热稳态拟静态响应的相应广义变分原理。继而讨论了局部热平衡时的动力学数学模型,并给出了相应的Gurtin型变分原理和广义变分原理以及热稳态拟静态响应的变分原理,为有限元、无网格等方法的数值模拟奠定了理论基础。
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