冷冻技术应用在水坝工程
在冷冻坝中，不可渗透的元件被冻结以在整个结构的使用寿命中保持坝中的水密区域。由于自然发生的地面冻结机制以及低渗透性岩心材料不可用或不合适的事实，此类水坝在亚北极和北极气候带中很常见。
没有对建筑物的热分析，土壤的热物理性质以及气象和水文条件，就不可能进行正确的冻坝设计。
Frost 3D是执行此类模拟的最有效工具，它具有包括水过滤效果在内的预测土壤冻结和解冻的能力。
Frost 3D软件用于使用地下冷却装置计算通过大坝的水过滤和岩心冻结。
模拟位置的尺寸：长400 m，宽120 m和高72 m（图1）。
图1：指定温度和水文条件
大坝中嵌入了80个冷却装置，每个长度为50 m。为了从数值上求解过滤方程和导热系数，使用12336576点网格离散了大坝的3D几何模型（图2）。
图2：Frost 3D生成的网格
在大坝的顶部，我们指定了与大气的传热边界条件：空气温度动态以及传热系数与风速之间的关系（图3）。
图3：在Frost 3D软件中指定与大气的热传递参数
对于大坝的淹没部分，我们指定了水的传热条件：水温动态和地下水的传热系数（图4）。
图4：在Frost 3D软件中指定水的传热参数
为了模拟大坝这些部分的水过滤，在距水库60 m和距河5 m处设置了水头。根据风速和空气温度计算冷却单元上的热通量（图5）。
图5：指定冷却单元参数以计算蒸发器热通量
规定了大坝材料的热物理性质和过滤系数（图6）。
图6：在Frost 3D中指定大坝的热物理性质
有了这些数据，Frost 3D软件可以计算3年中水的过滤速度和大坝中的温度分布（图7至9）。
图7：沿x轴的过滤速度分布，单位为μm / s。Z = 26 m时的水平截面
图8：第一个冬季的二月（计算过滤）中坝芯的温度分布。Z = 68 m时的水平截面
图9：第一个冬季的二月（计算过滤）中坝芯的温度分布。Y = 362 m时的垂直截面
在计算域中水过滤速度的分布是复杂的（通常是非恒定的）（图7）。因此，当通过水过滤解决土壤冻结或解冻时，有必要计算水流量而不是使用恒定速度值。用户定义的水速度将不同于计算值，因此会扭曲地面温度模拟输出。下面是用户定义的初始值25 μm / s产生的过滤速度的分布（图10）。注意，当土壤冻结时，过滤速度接近零。
图10：沿x轴的过滤速度分布，单位为μm / s（用户定义）。Z = 26 m时的水平截面
指定过滤速度后获得的温度场（图11）与通过过滤方程的数值解计算过滤速度所得的温度场（图8）不同。
图11：坝芯冻结的第一个冬季的温度分布。过滤速度是用户定义的。Z = 68 m时的水平截面
更形象地显示冷却单元附近横截面中的温度场（图12）。如果不计算过滤速度，则确定冷却装置周围的冰冻区域的精度可能会达到1.5米。
图12：计算出的（a）和用户定义的（b）过滤速度下冷却装置周围的温度分布。 Z = 16 m时的水平截面
