A coupled thermoelastic model for saturated–unsaturated porous media

Abstract

The determination of the heat and mass flow in porous media is a problem of great importance in many engineering and technical processes. Typical problems include the accumulation of moisture under pavements, geothermal energy utilization, thermal enhancement of oil recovery and the disposal of hazardous wastes. The phenomenon also has a bearing on geology, meteorology and agricultural problems. The existing predictive models of heat and mass flow in porous media fail to incorporate the coupling effects between the flowing components (heat, moisture and gas), or the flowing components and solid particles. In addition, some models do not represent the flow phenomena thoroughly (i.e. heat flow due to convection is ignored in many models) or less emphasis is given to the soil parameters and their variations with respect to soil moisture and temperature. This Paper presents a mathematical model for the flow of heat, moisture and gas in porous media. In the model presented the coupling effects between moisture, heat and gas flow and soil skeleton volume changes are considered. Soil parameters (i.e. thermal, hydraulic and gas conductivities, and volume change) have been selected through a comprehensive survey of the literature in related areas. A finite element method has been used for the numerical solution of the mathematical model developed. Finally, some case histories are reproduced and solved numerically using the model developed. The computed results are then compared with those of measured or computed data available in case histories. For cases where no case histories were obtained, the computer results are analysed and discussed. La détermination de l'écoulement de chaleur et de masse dans un environnement poreux crée des problèmes très importants dans beaucoup de procéssus de construction et de technologie. Notamment en ce qui concerne l'accumulation d'humidité sous les chaussées, l'utilisation de Penergie géothermique, l'amélioration thermique de la récupération des huiles et le dépôt des déchets dangereux. Le phènomène influence aussi beaucoup de problèmes de géologie, de météorologie et d'agriculture. Les modèles actuels pour prédire l'écoulement de chaleur et de masse dans un environnement poreux n'incluent pas les effets de couplement entre les constituants mêmes de l'écoulement (chaleur, humidité, gaz) ni entre de tels constituants et les particules solides. D'autres modèles ne représentent pas les phénomènes d'écoulement de façon complète (beaucoup de modèles ignorent l'écoulement de chaleur causée par la convection) ou bien les paramètres du sol et leurs variations selon l'humidité et la température du sol sont négligés. Cet article présente un modéle mathématique pour l'écoulement de chaleur, d'humidité et de gaz dans un environnement poreux. Ce modele tient compte des effets de couplement entre l'écoulement de chaleur, d'humidite et de gaz et les changements dans le volume du squelette du sol. Des paramètres du sol (les conductibilités thermique, hydraulique et gazeuse et le comportement lors des changements dans le volume) ont été sélectionnés d'un examen détaillé de la littérature à la suite technique correspondante. Une méthode à éléments finis est utilisée pour la solution numérique du modèle mathématique développe. Puis des exemples réels sont présentés et résolus numériquement par l'emploi du modèle développé. Ceci est suivi d'une comparaison entre les résultats calculés et les donnees mesurées ou calculées disponibles dans des exemples réels. Là où il n'y avait aucun exemple de cas réel l'article analyse et discute les resultats obtenus à partir de l'ordinateur.