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对于永冻土壤的热学分析在ANSYS 软件中的应用。Frost 3D Universal 软件的优势。

一家工程公司最近询问了Simmakers公司,能否评价一下在土地融化和热稳固问题上应用ANSYS有限元软件包的可能性,并且解释一下Frost 3D Universal软件在解决这类问题上面的优势。
我们注意到这类问题在专业论坛和会议上面也由许多专家提出来了。

  

由ANSYS经销商发出的声明:

 ANSYS 有限元方法分析可被应用于土地融化分析。ANSYS是一个长期存在的有限元分析通用软件系统。它在计算机工程学的专家中广受欢迎(CAE, 计算机辅助工程学) 以及对于刚体力学和结构力学中线性的和非线性的,平稳的和非平稳的空间问题的有限元解决方案(包括对于施工元素的接触作用的非平稳几何和物理非线性问题),液体和气体力学问题,热交换和热传导,电气力学,声学以及耦合域力学。

ANSYS 有限元方法分析可被应用于土地融化分析。ANSYS是一个长期存在的有限元分析通用软件系统。它在计算机工程学的专家中广受欢迎(CAE, 计算机辅助工程学) 以及对于刚体力学和结构力学中线性的和非线性的,平稳的和非平稳的空间问题的有限元解决方案(包括对于施工元素的接触作用的非平稳几何和物理非线性问题),液体和气体力学问题,热交换和热传导,电气力学,声学以及耦合域力学。

我们的数学家和热物理领域的专家对于土地和数值建模的评价

下面是为何ANSYS或其他通用有限元分析软件系统很难应用于土地冻结和融化问题的主要原因,也是为什么他们的使用并不能给设计活动带来任何实用价值。

1.ANSYS软件包解决方案对于热交换和热传导问题,比如说土地冻结和融化问题,是基于有限元方法的隐性公式。ANSYS因此采用的是牛顿-拉夫申以及其他的迭代方法(连续接近方法,等等)。然而,土地冻结和融化问题,由于在土地中发生了“水-冰”相变而导致的土地的热物理性质的剧变以及热发散和吸收,都是与非线性问题紧密相连的。

当应用ANSYS采用的方法(有限元方法的隐性公式以及为了线性化而采用的牛顿-拉夫申方法)来解决这样的问题时,会存在一个数值方法收敛的问题(随着其后每次数值解的迭代,新的结果离该问题的正确解也就越来越远了)。这是由于实际上牛顿-拉夫申迭代法只会在初始选择的估计值与正确解之间非常接近的时候才会收敛。
对于在Frost 3D Universal和其他FEA软件包中解决10x10x25米区域的土地冻结问题的精度及计算速率分析
比如说,在土地冻结和融化问题中,土地的有效热容量会随着温度的改变而发生巨变。因此,一个无关紧要的温度变化都能导致热容量非常巨大的改变,这也是为何初始预估值在此前步骤采用的牛顿-拉夫申方法中(与ANSYS所用的是同一步骤)导致了方法的非收敛性。因此,在解决大多数土地冻结和融化的实际问题时,ANSYS的数值方法返回的是低精度的结果,并且使用这个软件,结果有时会变得难以获得

在通用软件包中数值建模的收敛问题

2. 当解决土地冻结和融化的问题时,计算所需的初始数据是以下的土地热物理性质:未结冰土壤和结冰土壤的热容量和热传导性,未结冰含水量与土地温度的相关性,土地中的相变开始温度。

然而在ANSYS软件包中,为了要解决热学问题,我们需要指定热容量和热传导性随着温度改变的变化率。因此,为了要在ANSYS软件包中解决土地冻结和融化的问题,用户必须要写一个专用的软件程序,而这程序是基于土地的热物理性质(上面列出的三条参数)来计算热容量和热传导性和温度的相关性。

3. 当考虑到土地冻结和融化的问题时,将土地热稳定设备(热虹吸管)纳入计算域的考虑范围之内是十分必要的。而这在ANSYS中是无法计算的,因为它不能够解出描述热虹吸管操作的等式

4.在解决土地冻结和融化问题时,经常会遇到土地的复杂工程地质结构。工程岩土地结构的3D几何实例是在通过插入工程地质钻孔获得的土地结构数据来解决土地冻结和融化问题的过程中重构出来的。ANSYS软件包缺乏任何这样的工具来建立这样复杂的工程地质土地几何结构。

在Frost 3D Universal软件中再现一个复杂的土地的地质及岩土结构

Frost 3D Universal软件的优势:

1. Frost 3D Universal软件包是专门为解决土地冻结和融化问题而设计的,考虑到了各种设施(管线,地质钻孔等等)的热效应,以及热虹吸管,所以它不会碰到上述的任何问题。

在Frost 3D Universal软件中,在与相变有关的计算中不会有非收敛的问题,并且可以把热虹吸管的操作活动计算在内的;用户界面也是专注于土地冻结和融化的情况,且软件包含有所有必要的工具来管理这些任务。

Frost 3D Universal软件计算结束时

2. 当解决土地冻结和融化问题时,模拟在大空间尺度下的热过程(几百米)是十分必要的,而这包括有着重要几何尺寸的要素,在他们被纳入考虑范围以前(隔热材料,钻孔管道,油气管道,热虹吸管)。而这会导致千万节点级的计算网格。

在ANSYS软件及其他有限元分析软件中对千万数量级别节点的计算网格进行热工过程仿真是非常难以办到的,因为这一计算过程会持续很长时间(好几天),并且这样的问题由于缺乏足够的内存是难以在个人电脑上面得到解决的。Frost 3D Universal软件有数学解算器,在GPU上面并行运算,因此在计算有着数百万数量级的计算网格的热学问题时可以比任何其他FEA软件,包括ANSYS,都要快上好几倍的速度。
Frost 3D Universal软件计算结束时
 

 

项目样例:

 

FROST 3D UNIVERSAL

能够进行以下热工程计算的软件包:

 

  • 永冻土的热加固
  • 人工土地冻结

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从一开始,Simmakers有限公司的专家团队就表现出了高度的专业精神,他们在敲定合约以前对问题实施了详细的预备研究;我们对该方法印象十分深刻。

D.G. Dolgikh
副总裁
Fundamentstroyarkos RPA 有限公司,俄罗斯

 

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