Numerical Analysis of Frozen Soil Thawing under the Influence of Rainwater Infiltration

  • А.С. Алейников Altai State University (Barnaul, Russia) Email: xd@mail.ru
  • А.Г. Петрова Altai State University (Barnaul, Russia) Email: petrova@email.ru
Keywords: phase change, rainwater infiltration, Stefan problem

Abstract

The paper is devoted to the study of rainwater infiltration influence on temperature, water saturation and permafrost. The investigation of thawing processes оf frozen soils is of great importance both for northern regions with permafrost and for agricultural areas in the West Siberia. In general case, the problem is very complicated due to many factors to be taken into account. We consider here a one-dimensional problem without including gravity, evaporation, vegetative layer, and radiation. We suppose that the domain between a daylight surface and a thawing front is filled with soil that is considered as porous media with immovable skeleton and pores containing water and air. The domain ahead of phase change boundary is occupied with frozen soil with constant temperature and pressure and pores containing only ice. The model is constructed under the following assumptions: water and ice are incompressible, air is a perfect viscous gas; temperature and pressure are common for skeleton and pores; the soil surface is under the action of falling rain with given temperature and rate. The velocity of rain on the ground surface is assumed to be given, and that leads to assuming the condition for the pressure. In our paper, we solve nonlinear system of equation in full statement without linearization on stationary solution. Free boundary problem is transformed into the problem in fixed domain. The numerical simulation algorithm is elaborated, the analysis of numerical results is provided.

DOI 10.14258/izvasu(2017)4-12

Downloads

Download data is not yet available.

Metrics

Metrics Loading ...

Author Biographies

А.С. Алейников, Altai State University (Barnaul, Russia)
студент факультета математики и информационных технологий
А.Г. Петрова, Altai State University (Barnaul, Russia)
доктор физико-математических наук, профессор кафедры дифференциальных уравнений

References

Папин А.А. Краевые задачи двухфазной фильтрации : монография. — Барнаул, 2009.

Коробкин А.А., Папин А.А., Хабахпашева Т.И. Математические модели снежно-ледового покрова : монография. — Барнаул, 2013.

Ахмерова И.Г. Модельная задача фильтрации воды и воздуха в деформированном грунте // МАК-2015 : материалы Всероссийской конференции по математике. — Барнаул, 2015.

Петрова А.Г., Мошкин Н.П., Жирков А.Ф. Задача

о возмущениях фазового фронта в ненасыщенном грунте под действием инфильтрации осадков // Известия Алтайского гос. ун-та. — 2015. — № 1/1 (85). DOI: 10.14258/ izvasu (2015)1.1-18.

Васильев В.И., Максимов А.М., Петров Е.Е., Цыпкин Г.Г. Тепломассоперенос в промерзающих и протаивающих грунтах. — М., 1996.

Мейрманов А.М. Задача Стефана. — Новосибирск, 1986.

Воеводин А.Ф., Гранкина Т.Б. Численное моделирование роста ледяного покрова в водоеме // Сиб. журн. индустр. математики. — 2006. — Т.9, №1 (25).

Петрова А.Г., Алейников А.С., Бочкарева Ю.А., Михина Д.Л. О точных решениях задачи протаивания грунта под действием инфильтрации осадков // МАК-2015 : материалы Всероссийской конференции по математике. — Барнаул, 2015.

Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности. — Томск, 2007.

Крайнов А.Ю., Миньков Л.Л. Численные методы решения задач тепло- и массопереноса. — Томск, 2016.

How to Cite
Алейников А., Петрова А. Numerical Analysis of Frozen Soil Thawing under the Influence of Rainwater Infiltration // Izvestiya of Altai State University, 1, № 4(96) DOI: 10.14258/izvasu(2017)4-12. URL: http://izvestiya.asu.ru/article/view/%282017%294-12.