Modelado de la Transferencia de Calor a través del Suelo de Permafrost Sometido a Congelación y Descongelación Estacional
Autores: Lubini Tshumuka, Alain; Krimi, Abdelkader; Fuamba, Musandji
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Modelado de la Transferencia de Calor a través del Suelo de Permafrost Sometido a Congelación y Descongelación Estacional
Categoría
Ciencias Medioambientales
Subcategoría
Ciencias medioambientales generales
Palabras clave
Propone
Método numérico iterativo
Suelo de permafrost
Modelo de entalpía-porosidad
Esquema de diferencias finitas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
El presente documento propone un método numérico implícito iterativo para simular la profundidad de descongelación del suelo de permafrost. Para este propósito, se utilizó el modelo de entalpía-porosidad para el proceso de cambio de fase, y se empleó el esquema de diferencias finitas FTCS (Tiempo Adelante Espacio Centrado) para la discretización. Se mantuvo una zona de fusión artificial con el mismo grosor al mantener el parámetro de regularización proporcional al gradiente de temperatura. Al hacerlo, hicimos que el esquema fuera más estable y la convergencia ocurrió más rápido. La precisión del modelo fue validada al comparar los resultados numéricos con la solución analítica de Stefan y con los resultados de un modelo numérico derivado, basado en un esquema explícito. El rendimiento del modelo también se probó contra datos de observación recopilados en cuatro paisajes diferentes con diferentes perfiles de suelo y ubicados en una cuenca subyacente por permafrost continuo. Se encontró que el modelo propuesto coincidía notablemente bien con la solución analítica para una fracción volumétrica de líquido (phi) igual a 0.5, independientemente de la resolución de la cuadrícula. Además, en comparación con los datos de observación, el modelo reprodujo la profundidad máxima de descongelación anual con un error absoluto que oscilaba entre el 0.7 y el 7.7%. Además, el algoritmo diseñado permitió que el modelo convergiera después de un máximo de ocho iteraciones, reduciendo el tiempo computacional en alrededor del 75% en comparación con el modelo explícito. Los resultados fueron tan alentadores que el modelo puede ser incluido en un modelado hidrológico de cuencas de permafrost o regiones frías en general.
Descripción
El presente documento propone un método numérico implícito iterativo para simular la profundidad de descongelación del suelo de permafrost. Para este propósito, se utilizó el modelo de entalpía-porosidad para el proceso de cambio de fase, y se empleó el esquema de diferencias finitas FTCS (Tiempo Adelante Espacio Centrado) para la discretización. Se mantuvo una zona de fusión artificial con el mismo grosor al mantener el parámetro de regularización proporcional al gradiente de temperatura. Al hacerlo, hicimos que el esquema fuera más estable y la convergencia ocurrió más rápido. La precisión del modelo fue validada al comparar los resultados numéricos con la solución analítica de Stefan y con los resultados de un modelo numérico derivado, basado en un esquema explícito. El rendimiento del modelo también se probó contra datos de observación recopilados en cuatro paisajes diferentes con diferentes perfiles de suelo y ubicados en una cuenca subyacente por permafrost continuo. Se encontró que el modelo propuesto coincidía notablemente bien con la solución analítica para una fracción volumétrica de líquido (phi) igual a 0.5, independientemente de la resolución de la cuadrícula. Además, en comparación con los datos de observación, el modelo reprodujo la profundidad máxima de descongelación anual con un error absoluto que oscilaba entre el 0.7 y el 7.7%. Además, el algoritmo diseñado permitió que el modelo convergiera después de un máximo de ocho iteraciones, reduciendo el tiempo computacional en alrededor del 75% en comparación con el modelo explícito. Los resultados fueron tan alentadores que el modelo puede ser incluido en un modelado hidrológico de cuencas de permafrost o regiones frías en general.