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标题
Title
期刊: Archives of Computational Methods in Engineering
作者：Kai-Qi Li & Zhen-Yu Yin
年份：2024
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摘要
众多研究对冻土中的多场耦合过程进行了调查，重点关注冻土的变化，并探讨了气候变化、水文过程和寒冷地区生态系统的影响。对冻土中多物理场耦合过程的研究已成为一个突出的研究领域，在耦合模型和模拟求解器方面取得了重大进展。然而，由于对多场耦合过程的观测不足和深入理解不够，各种耦合模型之间仍存在很大差异。因此，本研究全面回顾了多场模型和数值模拟方法的最新研究进展，包括热-水力（TH）耦合、热-力学（TM）耦合、水-力学（HM）耦合、热-水-力学（THM）耦合、热-水-化学（THC）耦合和热-水-力学-化学（THMC）耦合。此外，总结了主要的模拟方法，包括连续介质力学方法、离散或不连续力学方法以及专门为传热和传质建模设计的模拟器。最后，本研究概述了关键发现，并提出了冻土多物理场建模的未来研究方向。本研究为深入的机制分析和实际工程应用提供了理论基础，有助于推进对冻土的理解和管理。
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图表
冻土中热-水-力-化（热-水力-力学-化学）耦合作用
冻土耦合热-水-力（THM）模型示意图（h总水头，T温度，u位移，θ体积含水量，θi 体积含冰量）。
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结论
冻土的多物理场建模在寒冷地区的结构、输油管道和工程建设设计中起着至关重要的作用。然而，这些多物理场的耦合带来了复杂的跨学科挑战。需要进一步努力提高预测土壤冻结过程的准确性，理解耦合机制，改进耦合方法，并开发有效的求解技术。因此，本研究对冻土耦合模型进行了全面的最新综述。
对冻土耦合多场模型及相应的数值求解器的进展进行了广泛总结。首先，对冻土耦合多物理场模型的研究进行了深入检查和讨论，这为模拟冻土在冻融过程中的耦合行为所采用的各种方法提供了见解。其次，本综述探讨了冻土耦合建模中现有的数值模拟。还列出了每种数值方法的主要优缺点，为选择冻土耦合模型的合适求解器提供了指导。然而，由于冻土中相互作用过程的复杂性，耦合多物理场建模和数值方法中的一些关键问题需要进一步研究。基于本综述的批判性讨论，冻土多场耦合过程模拟的主要结论和挑战总结如下。
冻土的耦合模型可分为六种类型，即 TH 模型、TM 模型、HM 模型、THM 模型、THC 模型和 THMC 模型。一般来说，TH 和 THM 模型已得到广泛研究，而其他耦合模型，特别是包含化学效应的模型，值得进一步发展。TH 模型主要集中在冻土与外部环境（如气候变化）的相互作用机制及其对环境和工程的影响。相比之下，考虑力学效应的 THM 模型已被开发用于分析冻土的冻融作用，这为冻土相互作用过程中的冻胀和沉降机制提供了启示。
进一步建立不同尺度的冻土耦合多物理场的 3D 模型和数值模拟器至关重要。在模拟复杂的多场相互作用时，全面考虑不同尺度下冻土的实际情况至关重要。通过模拟不同尺度下冻土的物理环境，可以从微观、细观和宏观 / 多尺度研究多物理场的耦合机制。这种方法为解决各个领域的实际工程问题提供了有价值的见解。
进行大规模和长期的原位测试以研究冻土中的多物理耦合是必要的。为了建立准确的多物理耦合模型，理解冻土中水力、力学、热学、溶质运移和其他领域之间的相互作用至关重要。然而，目前的耦合模型通常依赖于厘米或米级的小规模实验室测试。这些测试使用相似准则简化实际情况并忽略次要因素。为了克服这些限制，有必要通过进行包含多物理耦合和长期监测的大规模原位测试来最小化测试中的尺寸效应。
需要通过纳入其他因素来开发更全面的冻土完全耦合模型，以更准确地模拟多物理场相互作用。现有模型中的预测误差可能归因于复杂边界条件的过度简化（如地下水交换、土壤表面反照率变化和盐分排出）以及对冻土关键行为的忽略（如时间 / 温度依赖性、压力融化、凝固点降低、冻融循环的滞后和蒸汽效应）。此外，冻土中结构的非均质性（如冰透镜）将在后续工作中引起关注，以推导出更通用的耦合模型。
关于冻土多物理场过程的数值模拟，需要在模拟准确性、模拟效率、计算复杂性和易于实现之间取得平衡。冻土耦合模型的数值实现中存在一些挑战。（i）应进一步开发用于大规模和长期耦合多场过程计算的高效统一软件系统。（ii）数值模拟器应包含核心模块，如用户自定义材料模式、边界条件的自适应输入、工程 / 环境程序（如 AGF）以及评估模型不确定性 / 敏感性的功能。（iii）可以特别关注能够提高计算效率的技术（如并行计算）、与可视化技术（如 BIM 或数字孪生）的接口、人工智能和其他新兴技术。这些领域的进展将加强模拟模型的基础，并为受冻融作用的冻土提供一个全面的整体模拟平台。
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参考文献
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