<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Earth Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Earth Science</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Earth Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-6463</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1236829</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/feart.2023.1236829</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Earth Science</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Numerical calculation of phase change heat conduction in freezing soil by lattice Boltzmann method based on enthalpy method</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Tian et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/feart.2023.1236829">10.3389/feart.2023.1236829</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Tian</surname>
<given-names>Lin</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2339066/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>Linfang</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Zhiliang</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>Junyao</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Faculty of Civil Engineering and Mechanics</institution>, <institution>Kunming University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Kunming</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Power China Kunming Engineering Corporation Limited</institution>, <addr-line>Kunming</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1609258/overview">Wenzhuo Cao</ext-link>, Imperial College London, United Kingdom</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2341753/overview">Zhitang Lu</ext-link>, Hefei University of Technology, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2342363/overview">Haoran Zhang</ext-link>, China Earthquake Administration, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Linfang Shen, <email>shenlinfang@kust.edu.cn</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>07</day>
<month>07</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>11</volume>
<elocation-id>1236829</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>08</day>
<month>06</month>
<year>2023</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>27</day>
<month>06</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2023 Tian, Shen, Wang and Luo.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Tian, Shen, Wang and Luo</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>In the freezing process, the soil is accompanied by heat conduction, heat release for ice-water phase change, phase change interface movement, and a change in thermal diffusion coefficient, which is a complex nonlinear problem and is hard to solve. This study uses the enthalpy method to establish a unified control equation for heat conduction in the entire calculation region (including the solid-phase zone, liquid-phase zone, and phase change interface). It solves the equation numerically, relying on the D2Q4 model of the lattice Boltzmann method, and determines the evolution of the temperature field and solid-liquid phase change interface position with time. The trends in the soil&#x2019;s temperature field evolution and freezing front movement under unilateral and bilateral cold sources are discussed using an example from an artificial freezing project. The results show that when &#x2212;10&#xb0;C is taken as the limit for freezing wall temperature, the freezing wall thickness developed at 5, 10, 20, 30, and 40 days under the unilateral cold source is 0.24, 0.33, 0.47, 0.57, and 0.66 m, respectively. The overall temperature in the soil drops below &#x2212;13.6&#xb0;C and &#x2212;26.4&#xb0;C at 35 days and 45 days under the bilateral cold sources. These values can provide a basis for engineering design.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>lattice Boltzmann method</kwd>
<kwd>enthalpy method</kwd>
<kwd>temperature field</kwd>
<kwd>freezing soil</kwd>
<kwd>numerical simulation</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Environmental Informatics and Remote Sensing</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>In building underground projects, the heat conduction problem accompanied by phase change frequently occurs, such as in tunnelling projects in cold areas (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Hunag et al., 1986</xref>), constructing underground projects, including subways (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Van Dorst, 2013</xref>), artificial freezing reinforcement of soil during shaft sinking at mine (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Levin et al., 2021</xref>), treatment of underground repositories of permanently isolated radioactive waste (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Jing et al., 1995</xref>), and others. If the development mechanism of the temperature field of the geotechnical materials in the freezing process cannot be comprehended in engineering practice, it will seriously affect the project&#x2019;s safety and directly or indirectly cause significant economic losses. For example, a shaft submergence accident occurred in an auxiliary shaft of Huainan Xieqiao Mining Area due to the freezing tube fracture, resulting in direct economic losses of over 10 million yuan. Repeated water-bursting accidents happened during excavation in a concealed excavation tunnel in Shenzhen because of a frozen wall connection failure. Due to the water gushing at the frozen wall in the intermediate wind well in the tunnel of Shanghai Metro Line 4, a severe surface collapse occurred, and the entire tunnel was destroyed by Huangpu River water gushing, resulting in an economic loss of nearly 150 million yuan. Therefore, a systematic and in-depth study of the development trends of the solid-liquid phase change interface, and the evolution of the temperature field during the soil freezing process, can provide a valuable technical foundation for projects associated with soil freezing. This has significant value for theoretical research and offers broad engineering application prospects.</p>
<p>When soil water condenses into ice and forms a solid-liquid phase change interface, heat will be released at the interface, and the interface will move continuously with time during freezing. Thus, the heat conduction problem with phase change is highly nonlinear. Due to the nonlinear nature of the phase change system at its moving interfaces, it is difficult to predict its behaviour, and no rigorous theory can be developed (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Rabin and Korin, 1993</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Costa et al., 1998</xref>). A large number of practical engineering problems are often solved with the assistance of numerical algorithms. In dealing with phase change boundaries, current computational methods include the heat capacity (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Rabin and Korin, 1993</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Alva et al., 2006</xref>), Kirchhoff transformation (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Voller et al., 1990</xref>), and enthalpy methods (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Costa et al., 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Jiaung et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Miller and Succi, 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Eshraghi and Felicelli, 2012</xref>). In dealing with phase change interfaces, the enthalpy approach has been widely used because of its advantages, such as clear physical meaning, no need to trace the interface, and ease of numerical calculation. The lattice Boltzmann method is a mesoscopic numerical calculation technique that can establish the relation between macroscopic and microscopic computations in numerical simulation of heat conduction. The method core is to establish a bridge between the microscopic and macroscopic scales. It does not need to consider the motion law of individual particles but instead considers the motion of all particles as a whole and describes their overall macroscopic motion characteristics using the distribution function. Due to its clear physical concepts, ease in dealing with complex boundaries, simple implementation of procedures, and suitability for parallel computation, it has gained increasing attention for phase change heat conduction problems. Jiaung et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Jiaung et al., 2001</xref>) improved the lattice Boltzmann model using the enthalpy method to simulate the heat conduction problem associated with solid-liquid phase changes. Miller and Succi (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Miller and Succi, 2002</xref>) simulated two-dimensional crystal solidification and dendrite growth by introducing a time-dependent phase change fraction. Eshraghi and Felicelli (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Eshraghi and Felicelli, 2012</xref>) developed an implicit lattice Boltzmann model for phase change heat conduction using the D2Q9 model and considering different boundary conditions.</p>
<p>By combining the enthalpy method and the lattice Boltzmann method, the strengths of both approaches can be leveraged, enhancing the accuracy and reliability of heat conduction studies in soil. Both the enthalpy method and the lattice Boltzmann method are capable of dealing with intricate geometries and boundary conditions. This enables more precise simulations of heat conduction in soil with complex structures and spatial heterogeneity. The lattice Boltzmann method inherently lends itself to parallel computing. When combined with the enthalpy method, the parallel computing advantage can be further exploited, accelerating the computational speed of heat conduction simulations and improving efficiency. The enthalpy and lattice Boltzmann methods allow for modeling at different scales. Their combination enables multiscale heat conduction simulations, encompassing various scales from micro to macro, facilitating a comprehensive understanding of heat transfer behavior in soil.</p>
<p>This study uses the lattice Boltzmann model relying on the enthalpy method to transform the heat conduction problem solved by partitioning it into a nonlinear heat conduction problem with a phase change over the entire region. The enthalpy method establishes a unified control equation for the entire computational region (solid-phase zone, liquid-phase zone, and solid-liquid phase change interface). The heat conduction equation with phase change is solved numerically in the discrete calculation region utilizing the lattice Boltzmann method. The temperature field and the solid-liquid phase change interface&#x2019;s position are derived as a time function based on the relationship between enthalpy and temperature. The calculation method validity is verified by combining the Neumann solution of the semi-infinite space solid-liquid phase change heat conduction problem. Finally, trends of temperature field evolution and freezing front movement in the soil under unilateral and bilateral cold sources are discussed using an example from an artificial freezing project.</p>
</sec>
<sec sec-type="materials|methods" id="s2">
<title>2 Materials and methods</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Physical model of soil freezing</title>
<p>In order to study the temperature field evolution in the soil during freezing and the movement trend of the freezing front, a schematic diagram of the freezing model for the soil&#x2019;s solid-liquid phase in a semi-infinite region is established (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>), where the <italic>X</italic>-axis direction represents the soil&#x2019;s freezing direction; <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the length of the freezing influence range; the adiabatic boundary is located at <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the constant cold source temperature; <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the soil&#x2019;s freezing temperature; <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the soil&#x2019;s initial temperature; <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the location of the interface for the solid-liquid phase change in the soil.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of the soil&#x2019;s solid-liquid phase freezing model in a semi-infinite region.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g001.tif"/>
</fig>
<sec id="s2-1-1">
<title>2.1.1 Basic assumptions</title>
<p>In order to numerically solve the heat conduction equation while considering the phase change, the following basic assumptions were made: 1) The soil was considered a homogeneous isotropic continuous medium, which was divided into solid and liquid phase zones according to the physical state of the internal moisture. The thermophysical parameters of each phase zone were fixed at constant values and were made independent of the temperature; 2) The effects of moisture migration, soil frost heaving, and stress field change were ignored. Whereas the heat conduction effect during the freezing process was only considered; 3) The heat conduction and the movement of the phase change interface during the soil&#x2019;s freezing process are along a single direction; 4) The effect of the solid-liquid phase change interface&#x2019;s thickness in the soil body is not considered; 5) The soil&#x2019;s freezing temperature is constant. Besides, the freezing process was completed instantaneously, ignoring its physical evolution process.</p>
</sec>
<sec id="s2-1-2">
<title>2.1.2 Mathematical equations</title>
<p>The mathematical equation for the temperature field evolution can be simplified according to the temperature-induced change in the physical state of water in the soil, which is divided into the solid-phase zone and liquid-phase zones (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Ozisik, 1993</xref>) as follows:</p>
<p>Solid-phase zone:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Liquid-phase zone:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the soil&#x2019;s temperatures in the solid-phase zone and liquid-phase zone, respectively; <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the thermal diffusion coefficients of the soil in the solid-phase zone and liquid-phase zone, respectively, in which <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the density, <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the specific heat capacity, and <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the thermal conductivity that can be obtained from the volume fraction of water (or ice), soil particles, and air in the soil and their respective thermophysical parameters (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Radoslwa et al., 2006</xref>); <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the freezing time.</p>
</sec>
<sec id="s2-1-3">
<title>2.1.3 The enthalpy method model</title>
<p>In order to study the movement process for the phase change interface during soil freezing, the enthalpy parameter was introduced into the heat conduction equation according to the enthalpy model proposed by Shamsundar and Sparrow (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Shamsundar and Sparrow, 1975</xref>) as follows:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the enthalpy; <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the soil&#x2019;s specific heat capacity, which is assumed to not change with temperature; <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the liquid-phase fraction, in which <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the liquid phase and <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the solid phase.</p>
<p>Substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> yields the following:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Comparing Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> to the heat conduction in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref>, it can be seen that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> adds a source term related to the latent heat of the phase change <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the heat conduction equation.</p>
<p>When the soil&#x2019;s freezing temperature is a constant value <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the relationship between the liquid-phase fraction and the enthalpy can be defined as follows:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-1-4">
<title>2.1.4 Boundary conditions</title>
<p>The temperature of the soil&#x2019;s cold source can be defined as follows:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The soil body has a constant initial temperature that is defined as follows:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>At the solid-liquid phase change interface <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-1-5">
<title>2.1.5 Dimensionless processing</title>
<p>In order to simplify the calculation, the soil&#x2019;s heat conduction equation and the corresponding boundary conditions are normalized as follows:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless length; <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless solid-liquid phase change position; <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless time; <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless temperature.</p>
<p>Substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> into Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref> yields the following:</p>
<p>Solid-phase zone:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Liquid-phase zone:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The corresponding boundary condition transformations are cold source temperature <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and initial temperature <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The following equations are valid at the solid-liquid phase change interface <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Stephen number, a dimensionless quantity that is related to the phase change process, <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Lattice Boltzmann model based on the enthalpy method</title>
<sec id="s2-2-1">
<title>2.2.1 Lattice Boltzmann model</title>
<p>In this study, the temperature in the macroscopic heat conduction equation is taken as a scalar, and the D2Q4 model proposed by Qian et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Qian et al., 1992</xref>) is used for the soil&#x2019;s temperature field evolution process during freezing (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>). The time evolution of the particle temperature distribution function <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed by the discrete lattice Boltzmann equation in the form of BGK (Bhatnagar, Gross, and Krook) as:<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the particle temperature distribution function along direction <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at lattice point <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and moment <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the discrete velocity, which consists of a set of velocity vectors in four directions defined as follows:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the lattice velocity, <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the discrete lattice step and time step, respectively; <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless relaxation time, in which a stable solution is usually obtained for <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Sukop and Thorne, 2006</xref>); <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the equilibrium state distribution function. Since the convection effect was not considered in the soil freezing process, the D2Q4 model <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed by the following equation:<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the weight factor, <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Schematic showing the 4 discrete velocity directions in the D2Q4 model.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g002.tif"/>
</fig>
<p>The discrete source term <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> is defined as:<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> as:<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">20</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, the final discrete lattice Boltzmann equation for the freezing process of the soil is obtained as follows:<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In this study, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref> was implemented in two steps for the convenience of the programming calculations. These steps are as follows:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(1) Collision</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(2) Migration</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Based on the Chapman-Enskog multiscale expansion method, the lattice Boltzmann Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref> can be reduced to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> that contains the phase change by considering the relationship between the macroscopic temperature <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the particle temperature distribution function (i.e., <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The expression for the thermal diffusion coefficient <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was obtained (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Mohamad, 2011</xref>) as follows:<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the lattice speed of sound. For the D2Q4 model, <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Since the soil&#x2019;s thermal diffusion coefficients in the liquid and solid phase zones during freezing soil differ, the relaxation times also vary. In this paper, the variation of the variable relaxation time with the liquid-phase fraction was considered and set according to the thermal diffusion coefficients of different phases as follows:<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The soil&#x2019;s thermal diffusion coefficient is found according to the percentage of the liquid phase fraction among different phases. Consequently, a unified equation can solve the thermal diffusion coefficient of different phases according to the changes in liquid phase fraction. During the numerical calculation, the relaxation time is obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">25</xref>, which is then brought into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> for the evolution of the temperature field.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2">
<title>2.2.2 Boundary conditions</title>
<p>Accurate simulation of the boundary conditions is an important part of the numerical calculation that significantly influences accuracy, efficiency, and stability. The following determines the corresponding particle temperature distribution functions according to the macroscopic boundary conditions:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(1) Initial conditions</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Assuming that the temperature of the soil body at the initial moment is constant <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the particle temperature distribution function at each grid point is in equilibrium, then:<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2,3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(2) Boundary conditions</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>The non-equilibrium state extrapolation format proposed by Guo et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Guo et al., 2002</xref>) was used to handle the seepage field boundary of the soil. For the temperature field boundary, there is no essential difference between the two in terms of application (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Yong et al., 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Gao et al., 2014</xref>). This method produces the distribution function with overall second-order accuracy. The basic idea is that the particle temperature distribution function <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the boundary lattice point <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be decomposed into two parts: the equilibrium state <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the non-equilibrium state <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, that is:<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the equilibrium part <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the cold source constant temperature boundary (temperature is always <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) can be obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>. The adiabatic boundary can be taken as <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with its neighbouring grid point <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The solution of the non-equilibrium part <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is complicated. However, the calculation can be simplified by approximating <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the adjacent lattice points in the temperature field as follows:<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2-3">
<title>2.2.3 Unit conversions</title>
<p>The program&#x2019;s parameters are typically taken in lattice units during the numerical calculation of the lattice Boltzmann method. In contrast, physical problems are usually taken in physical units. Hence, a conversion relationship between physical and lattice units must be established. For this purpose, all physical and lattice units involved in the calculation must be dimensionless separately to ensure that the heat conduction criterion before and after dimensionless processing remains the same. Accordingly, a dimensionless parameter was used as a connection bridge to realize the unit conversion between the physical and lattice units.</p>
<p>Based on the dimensionless time, the relationship between the physical time t and the lattice time step can be established as follows:<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the thermal diffusion coefficients of the physical and lattice units, respectively; <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the times of the physical and lattice units, respectively (<inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of calculation time steps); <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the reference lengths of physical and lattice units, respectively.</p>
<p>If <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the length of the whole calculation domain, then <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of lattices in the calculation domain.</p>
<p>The correspondence between the physical unit phase change parameters (latent heat of phase change <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, specific heat capacity <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the lattice unit can be established by combining the dimensionless temperature based on the dimensionless <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> number as follows:<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the specific heat capacities of the physical and lattice units, respectively; <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the latent heats of phase change in the physical and lattice units, respectively; <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the phase change temperatures of the physical and lattice units, respectively; <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the cold source temperatures of the physical and lattice units, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-4">
<title>2.2.4 Flow chart of the calculation procedure</title>
<p>In this study, a lattice Boltzmann model based on the enthalpy method is established, and the corresponding calculation procedure is prepared by considering the effects of heat conduction, latent heat release from solid-liquid phase change, and phase change interface movement in the soil&#x2019;s freezing process. The adopted flowchart is shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Flowchart of the program for investigating soil freezing.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>3 Results</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Algorithm validation</title>
<p>In order to verify the accuracy and rationality of this numerical calculation method, the Neumann solution of the unidirectional solid-liquid phase change heat conduction process in a semi-infinite region was solved based on Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">32</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">34</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Ozisik, 1993</xref>).<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">erf</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">erf</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">erf</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The calculation area was set into a <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mn>200</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> grid. The calculation model is shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. The macroscopic calculation parameters were all based on the dimensionless parameters. The initial temperature of the calculation region is <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the cold source temperature on the left side of the model is <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the freezing temperature of the solid-liquid phase change is <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the latent heat of the phase change is <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the specific heat capacity is <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the thermal diffusion coefficient of the solid-phase is <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.25</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The position of the liquid-phase fraction <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was set to the solid-liquid phase change interface. The boundary conditions were set to the non-equilibrium extrapolation format at the microscopic level. For the lattice Boltzmann model, the parameters were taken as follows: the time step is <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the transverse and longitudinal are equal to the lattice steps <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, lattice velocity is <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and lattice sound velocity is <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> shows the solid-liquid phase change interface variation with time when <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. It can be seen that the numerical solution of the lattice Boltzmann method in this paper matches well with the analytical solution. The error gradually increases with the decrease in the thermal diffusion coefficient of the liquid phase. The maximum relative errors are 1.16%, 1.69%, and 6.17% when <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d;1, 2, and 5, respectively. This is mainly because the relaxation time gradually decreases as the thermal diffusion coefficient of the liquid phase decreases at a fixed lattice step and time step, which affects the accuracy of the numerical calculation (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Gao, 2001</xref>). Based on the soil freezing problem calculated numerically herein, it can be seen that the calculation accuracy can meet the needs of engineering construction, given that the difference between the thermal diffusion coefficients of the soil before and after freezing is not significant.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Comparison between the numerical and analytical solutions. The top black curve represents <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the middle black curve represents <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the bottom black curve represents <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The blue square represents <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the red triangle represents <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the pink circle represents <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g004.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows a comparison between the numerical calculation results and the analytical solutions for the temperature field at a dimensionless time of <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.0625</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the calculated time step is 10,000) and <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. It can be seen that the numerical and analytical solutions of the lattice Boltzmann method are consistent. In contrast, the error increases with the decrease in the thermal diffusion coefficient of the liquid phase. The maximum relative errors are 0.42%, 0.84%, and 2.58% when <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The maximum error occurs at the solid-liquid phase change interface, and the farther the distance from the interface, the smaller the error.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparison between the numerical and analytical solutions when <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.0625</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the calculated time step is 10,000). The top black curve represents <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the middle black curve represents <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the bottom black curve represents <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The purple square represents <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the orange triangle represents <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the blue circle represents <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 An example of the temperature field evolution</title>
<p>As many researchers have done, all the methods should be verified by examples (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Wang et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Lei et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Wang et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Zhao et al., 2023</xref>). We have chosen an engineering example in Shanghai to validate the lattice Boltzmann model based on the enthalpy method. The foundation soil of an artificial freezing project in Shanghai is straw-yellow sandy silt. The thermophysical parameters were measured according to the physical property tests of samples in the normal state and the frozen state as follows: the thermal diffusion coefficient of the formation is <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.97</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the solid-phase zone and <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.86</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the liquid-phase zone; the latent heat of phase change is <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>121.09</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; the specific heat capacity is <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.449</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2219;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The soil&#x2019;s initial measured temperature is <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the freezing temperature is <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the cold source temperature is <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the convenience of calculation, the length of the calculation area was assumed as <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Besides, the same settings for the basic parameters and boundary conditions of the lattice Boltzmann model were made as in the validation example. At the same time, the length of the calculation range was taken as <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, a unit transformation was carried out to correspond to the soil&#x2019;s freezing parameters and obtain the calculation parameters of the corresponding lattice Boltzmann model, as shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Parameter values used in the simulation.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Variables</th>
<th align="center">Value of physical unit</th>
<th align="center">Value of lattice unit</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">121.09&#xa0;kJ/kg</td>
<td align="center">1.0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">5.97&#xd7;10<sup>-7</sup>&#xa0;m<sup>2</sup>/s</td>
<td align="center">0.25</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">4.86&#xd7;10<sup>-7</sup>&#xa0;m<sup>2</sup>/s</td>
<td align="center">0.2035</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">1.449 kJ/(kg.&#xb0;C)</td>
<td align="center">0.4787</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">10&#xb0;C</td>
<td align="center">1.0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0&#xb0;C</td>
<td align="center">0.75</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2212;30&#xb0;C</td>
<td align="center">0.0</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn>
<p>Notes: <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the latent heat of phase change; <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the thermal diffusion coefficient in the solid-phase zone; <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the thermal diffusion coefficient in the liquid-phase zone; <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the specific heat capacity; <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial temperature; <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the freezing temperature; <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cold source temperature.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<sec id="s3-2-1">
<title>3.2.1 Evolution of temperature field in the soil under unilateral cold source</title>
<p>Under a unilateral cold source, the temperature of the soil body decreases rapidly, leading to the freezing front&#x2019;s formation by condensing internal water into ice. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> shows the evolution of the freezing front in the soil body with time. The figure shows that at the early stage of freezing, the freezing front in the soil body moves faster, and the evolution rate slows down with time. Besides, the frozen front moved 0.37, 0.52, 0.74, 0.89, and 1.02&#xa0;m at 5, 10, 20, 30, and 40 days, respectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Position of freezing front plotted against freezing time.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g006.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> shows the development of the soil&#x2019;s temperature field under the unilateral cold source. The soil temperature decreases rapidly at the early stage of freezing because the cold source temperature is <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, much lower than the initial temperature of <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thereafter, over time, the temperature field decreases because the temperature difference in the soil gradually becomes smaller. Considering the freezing front as the boundary, the two sides present a significant difference in the trend of the temperature field due to the influence of heat release from the solid-liquid phase change and different thermal diffusion coefficients. The soil temperature in the solid-phase zone develops faster and is approximately linear; in the liquid-phase zone, the soil develops slowly and gradually converges to the initial temperature of the soil. According to the code (<xref ref-type="bibr" rid="B3">DG/T J08-902, 2016</xref>), when the soil excavation depth is 12&#x2013;30&#xa0;m, the design reference value of the average temperature in the freezing wall must be taken as <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, when <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is taken as the limit for freezing wall temperature, the thickness of the freezing wall developed at 5, 10, 20, 30, and 40 days under the unilateral cold source is 0.24, 0.33, 0.47, 0.57, and 0.66 m, respectively.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Distribution of soil temperature field when time <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is different.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2-2">
<title>3.2.2 Evolution of temperature field in the soil under the action of bilateral cold sources</title>
<p>In artificial freezing works, multiple tubes are usually used to form the soil&#x2019;s freezing curtain. Therefore, the interaction between two or more cold sources must be studied. For this purpose, the temperature of the cold source was applied on both sides of the soil within 2.0&#xa0;m width to study the variation of the temperature field in the soil. <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> shows the trend in the variation of the liquid-phase fraction in the soil for 5, 10, 20, and 30 days. It can be seen that the position of the freezing front moves 0.37, 0.54, 0.78, and 0.98&#xa0;m under the action of the bilateral cold sources for the time periods of 5, 10, 20, and 30&#xa0;days. Compared to the unilateral cold source, the freezing front&#x2019;s movement has moved faster with time.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Distribution of the liquid-phase fraction <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when time <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is different under the bilateral cold source. The blue rhombus represents <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the orange square represents <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the green triangle represents <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the pink circle represents <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> .</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g008.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> shows that due to the bilateral cold sources, the temperature in the soil gradually decreases from both sides to the middle. The overall temperature in the soil drops below <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in about 30&#xa0;days, and all the water condenses into ice. The temperature in the soil decreases rapidly after that, and at 35&#xa0;days and 45&#xa0;days, the overall temperature in the soil drops below <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13.6</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>26.4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which are less than the average temperature of the frozen wall design&#x2019;s reference value. Hence, the excavation work of underground works can be carried out.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Variation in the soil temperature field when time <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is different under the bilateral cold source.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-11-1236829-g009.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Conclusion and discussion</title>
<p>This study considers the effects of heat conduction, heat release from solid-liquid phase change, phase change interface movement, and heat diffusion coefficient changes during soil freezing to establish a unified evolution equation in the entire calculation region (solid-phase zone, liquid-phase zone, and phase change interface) using the enthalpy method. It numerically solves the D2Q4 model based on the lattice Boltzmann method for the heat conduction equation accompanied by the phase change. Combined with an engineering example of an artificial freezing method in Shanghai, the temperature field in the soil, the development trend of the freezing front with time, and the formation time of the freezing wall under the influence of unilateral and bilateral cold sources (considering the interaction between the cold sources) are determined, and the following conclusions are drawn:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(1) The numerical calculation results are analysed based on the lattice Boltzmann method and compared to the Neumann solution of the solid-liquid phase change heat conduction problem in semi-infinite space, which verifies the accuracy of the present numerical calculation method.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(2) According to the code (DG/T J08-902, 2016), when <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is taken as the limit for freezing wall temperature, the thickness of the freezing wall developed at 5, 10, 20, 30, and 40 days under the unilateral cold source is 0.24, 0.33, 0.47, 0.57, and 0.66 m, respectively. These values can provide a basis for engineering design.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(3) Compared to the unilateral cold source, the freezing front&#x2019;s movement moves faster under the bilateral cold sources. The position of the freezing front moves 0.37, 0.54, 0.78, and 0.98&#xa0;m for the time periods of 5, 10, 20, and 30 days. The overall temperature in the soil drops below <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13.6</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>26.4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2103;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at 35 days and 45 days, which are less than the average temperature of the frozen wall design&#x2019;s reference value. Hence, the excavation work of underground works can be carried out.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(4) The lattice Boltzmann model based on the enthalpy method established in this paper can be used to deal with the heat conduction problem accompanied by phase change in underground engineering. However, the effect of moisture migration during the freezing process of soil and the resulting freezing deformation are not considered. The next step is to study the coupled heat transfer mechanism between the moisture field and soil particles using the double distribution function. Besides, a numerical model for simulating the freezing process of soil at the pore scale needs to be established by considering the freezing phase change of the moisture field and the influence of moisture migration heat conduction.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>LT, and LS contributed to conception and methodology of the study. JL organized the database. ZW performed the statistical analysis. LT and LS wrote the first draft of the manuscript. LT, LS, ZW, and JL wrote sections of the manuscript. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Numbers 11962008, 42167022, and 42067043).</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors thank Chao Yang and Qiming Zhou for their invaluable assistance in plotting figures.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>Author JL was employed by Power China Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming, China.</p>
<p>The remaining authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alva</surname>
<given-names>L. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gonz&#xe1;lez</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dukhan</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Initial analysis of PCM integrated solar collectors</article-title>. <source>J. Sol. Energy Eng.</source> <volume>128</volume>, <fpage>173</fpage>&#x2013;<lpage>177</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.2188532</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Costa</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buddhi</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oliva</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Numerical simulation of a latent heat thermal energy storage system with enhanced heat conduction</article-title>. <source>Energy Convers. manage.</source> <volume>39</volume>, <fpage>319</fpage>&#x2013;<lpage>330</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0196-8904(96)00193-8</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="book">
<collab>DG/T J08 902</collab> (<year>2016</year>). <source>Technical code for crosspassage freezing method</source>. <publisher-loc>Shanghai, China</publisher-loc>: <publisher-name>Shanghai Municipal Commission of Housing and Urban-Rural Development</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eshraghi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Felicelli</surname>
<given-names>S. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>An implicit lattice Boltzmann model for heat conduction with phase change</article-title>. <source>Int. J. Heat. Mass Transf.</source> <volume>55</volume>, <fpage>2420</fpage>&#x2013;<lpage>2428</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.01.018</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>D. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Z. Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A thermal lattice Boltzmann model for natural convection in porous media under local thermal non-equilibrium conditions</article-title>. <source>Int. J. Heat. Mass Transf.</source> <volume>70</volume>, <fpage>979</fpage>&#x2013;<lpage>989</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.050</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>D. Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <source>Study on solid-liquid phase change heat transfer in metal foams based on lattice Boltzmann method. Doctor Thesis</source>. <publisher-loc>Nanjing</publisher-loc>: <publisher-name>Southeast University</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>Z. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>C. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>B. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Non-equilibrium extrapolation method for velocity and pressure boundary conditions in the lattice Boltzmann method</article-title>. <source>Chin. Phys.</source> <volume>11</volume>, <fpage>366</fpage>&#x2013;<lpage>374</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1009-1963/11/4/310</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aughenbaugh</surname>
<given-names>N. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>M. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Stability study of CRREL permafrost tunnel</article-title>. <source>J. Geotech. Eng.</source> <volume>112</volume>, <fpage>777</fpage>&#x2013;<lpage>790</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9410(1986)112:8(777)</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jiaung</surname>
<given-names>W. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ho</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuo</surname>
<given-names>C. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Lattice Boltzmann method for the heat conduction problem with phase change</article-title>. <source>Numer. Heat. Transf. Part B</source> <volume>39</volume>, <fpage>167</fpage>&#x2013;<lpage>187</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/10407790150503495</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jing</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsang</surname>
<given-names>C. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stephansson</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <article-title>DECOVALEX&#x2014;An international co-operative research project on mathematical models of coupled THM processes for safety analysis of radioactive waste repositories</article-title>. <source>Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr.</source> <volume>32</volume>, <fpage>389</fpage>&#x2013;<lpage>398</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0148-9062(95)00031-B</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lei</surname>
<given-names>Z. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>B. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>S. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nie</surname>
<given-names>Y. X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>S. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A material point-finite element (MPM-FEM) model for simulating three-dimensional soil-structure interactions with the hybrid contact method</article-title>. <source>Comput. Geotechnics</source> <volume>152</volume>, <fpage>105009</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2022.105009</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Levin</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Golovatyi</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zaitsev</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pugin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seminet</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Thermal monitoring of frozen wall thawing after artificial ground freezing: Case study of Petrikov Potash Mine</article-title>. <source>Tunn. Undergr. Space Technol.</source> <volume>107</volume>, <fpage>103685</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2020.103685</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Miller</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Succi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>A lattice Boltzmann model for anisotropic crystal growth from melt</article-title>. <source>J. Stat. Phys.</source> <volume>107</volume>, <fpage>173</fpage>&#x2013;<lpage>186</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1023/A:1014510704701</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mohamad</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <source>Lattice Boltzmann method: Fundamentals and engineering applications with computer codes</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-0-85729-455-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ozisik</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <source>Heat conduction</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley and Sons</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qian</surname>
<given-names>Y. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>D&#x2019;Humi&#xe8;res</surname>
<given-names>D. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lallemand</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1992</year>). <article-title>Lattice BGK models for Navier-Stokes equation</article-title>. <source>Europhys. Lett.</source> <volume>17</volume>, <fpage>479</fpage>&#x2013;<lpage>484</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/17/6/001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rabin</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korin</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>An efficient numerical solution for the multidimensional solidification (or melting) problem using a microcomputer</article-title>. <source>Int. J. Heat. Mass Transf.</source> <volume>36</volume>, <fpage>673</fpage>&#x2013;<lpage>683</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0017-9310(93)80043-T</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Radoslwa</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Michaloeski</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). &#x201c;<article-title>Freezing and ice growth in frost-susceptible soils</article-title>,&#x201d; in <source>Geotechnical symposium in roma, soil stress-strain behavior: Measurement, modeling and analysis</source> (<publisher-loc>Roma, Italy</publisher-loc>: <publisher-name>Spinger</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4020-6146-2_25</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shamsundar</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sparrow</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1975</year>). <article-title>Analysis of multidimensional conduction phase change via the enthalpy model</article-title>. <source>J. Heat. Transf.</source> <volume>97</volume>, <fpage>333</fpage>&#x2013;<lpage>340</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3450375</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sukop</surname>
<given-names>M. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>D. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <source>Lattice Boltzmann Modeling: An introduction for geoscientists and engineers</source>. <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-540-27982-2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Van Dorst</surname>
<given-names>A. A. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Artificial ground freezing as a construction method for underground spaces in densely built up areas</article-title>. <comment>Master thesis</comment>. <publisher-loc>Delft</publisher-loc>: <publisher-name>Delft University of Technology</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Voller</surname>
<given-names>V. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swaminathan</surname>
<given-names>C. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thomas</surname>
<given-names>B. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Fixed grid techniques for phase change problems: A review</article-title>. <source>Int. J. Numer. Meth. Engng.</source> <volume>30</volume>, <fpage>875</fpage>&#x2013;<lpage>898</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620300419</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>G. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tian</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Z. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>X. Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Evolution pattern of tailings flow from dam failure and the buffering effect of debris blocking dams</article-title>. <source>Water</source> <volume>11</volume>, <fpage>2388</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/w11112388</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>G. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>B. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>W. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Intelligent prediction of slope stability based on visual exploratory data analysis of 77 <italic>in situ</italic> cases</article-title>. <source>Int. J. Min. Sci. Technol.</source> <volume>33</volume>, <fpage>47</fpage>&#x2013;<lpage>59</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmst.2022.07.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yong</surname>
<given-names>Y. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>Z. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Numerical simulation of thermal convection in triangular enclosure using lattice Boltzmann method</article-title>. <source>Chin. J. Process Eng.</source> <volume>9</volume>, <fpage>841</fpage>&#x2013;<lpage>847</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3321/j.issn:1009-606X.2009.05.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>G. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>B. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>X. Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>A study on mechanical properties and permeability of steam-cured mortar with iron-copper tailings</article-title>. <source>Constr. Build. Mat.</source> <volume>383</volume>, <fpage>131372</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.conbuildmat.2023.131372</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>