緩衝材料於飽和狀態下熱-水力耦合作用試驗結果之數值驗證與分析

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劉道穎(Tao-ying Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

緩衝材料於飽和狀態下熱-水力耦合作用試驗結果之數值驗證與分析
(Numerical analysis for the coupled thermo-hydro test on the effect of water saturation in buffer material.)

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摘要(中)

對於放射性廢燃料的最終處置，國際間一致採行「深層地質處置」(deep geological disposal)的方式，使其與人類的生活圈完全地隔離。在此概念中又以緩衝材料的選擇影響最為重要，本研究即在針對緩衝材料試驗之步驟及結果進行數值上的驗證及分析，以期進一步了解緩衝材料的性質。
本研究採用有限元素法，進行熱–水力耦合之效應分析，針對緩衝材料試驗試體進行實驗結果之驗證以及討論。
熱傳導分析方面採用傅立葉熱傳導定律(Fourier’s law of heat conduction)，以求得其溫度場。根據其分析結果可知飽和度對於熱傳導的結果影響極大，亦即飽和度愈高，熱傳導係數愈高，溫度擴散的速度也相對較快。在水–力學分析方面採用有效應力理論(effective stress theory) 、廣義虎克定律(generalized Hooke’s law)、達西定律(Darcy’s law)。其結果顯示水力傳導係數與孔隙壓力間存在互制關係，較高之水力傳導係數將致使孔隙壓力的消散迅速，加快飽和度的增加速率，進而影響溫度場的分佈。

摘要(英)

Deep geological disposal is the kind of method used worldwide for radioactive spent fuel, which needs to be completely isolated form human life cycle.
Selection of buffer material is the most important factor in this concept.
Our study uses finite element method and conducts analysis of the coupled thermo-hydro calculations. The effect due to water saturation is discussed and compared with experiment results of buffer material.
The heat conduction analysis uses the Fourier’s law of heat conduction to obtain the temperature field. The degree of saturation plays an important role in heat conduction analysis. High saturation results in high thermal conductivity. The temperature diffusion rate is consequently increased. Hydraulic calculation uses effective stress theory, generalized Hooke’s law and Darcy’s law. The relation between hydraulic conductivity and pore pressure is shown. Higher hydraulic conductivity resulis in higher diffuse rate of pore pressure. This increases the rate of saturation and influences distribution of temperature field.

關鍵字(中)

★ 熱–水力耦合分析
★ 緩衝材料
★ 有限元素法
★ 熱傳導分析
★ 孔隙水壓

關鍵字(英)

★ pore pressure
★ thermo-hydro calculations
★ finite element method
★ buffer material
★ heat conduction analysis

論文目次

摘要 I
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究方法 4
1.4 論文內容 5
第二章文獻回顧 6
2.1 放射性廢燃料處置過程與方式及各國現況 6
2.2 放射性廢棄物處置安全性之相關研究 9
2.3 工程障壁之組成及其功用 13
2.4 現階段我國處置場之設計概念 18
2.5 緩衝材料試驗結果 21
2.6 T-H-M-C效應之相關研究 24
2.6.1 熱傳導分析 24
2.6.2 水–力學分析 26
2.6.3 化學分析 27
第三章熱傳導、水–力學分析理論與數值模擬方法 29
3.1 前言 29
3.2 熱力學分析理論 30
3.2.1 熱傳導 30
3.2.2 熱對流 33
3.3 水–力學分析理論 35
3.3.1 有效應力理論 35
3.3.2 廣義虎克定律 37
3.3.3 達西定律 38
3.4 有限元素分析方法 40
3.4.1 有限元素法 40
3.4.2 軸對稱方法進行三維問題簡化模擬 43
3.5 分析工具 46
第四章網格設置及分析流程 49
4.1 前言 49
4.2 模型尺寸及網格設置 50
4.3 分析流程 53
4.4 飽和度迭代副程式USDFLD之說明 55
第五章熱分析結果之驗證與討論 61
5.1 前言 61
5.2 材料性質、初始條件與邊界條件 61
5.2.1 材料性質 61
5.2.2 初始條件與邊界條件 62
5.3 熱傳導分析之結果及驗證 64
第六章熱–水力耦合分析結果之驗證與討論 67
6.1 前言 67
6.2 材料性質、初始條件與邊界條件 67
6.2.1 熱傳導分析之材料性質 67
6.2.2 水力分析之材料性質 68
6.2.3 初始條件與邊界條件 71
6.3 熱–水力耦合分析之結果及驗證 73
6.3.1 溫度場耦合分析 73
6.3.2 水–力學分析 78
第七章結論與建議 87
7.1 結論 87
7.2 建議 88
參考文獻 90
附錄一熱傳導之參數分析結果 96

參考文獻

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指導教授

張瑞宏

審核日期

2008-1-19

推文