基于细观复合材料的寒区混凝土导热系数模型

为分析正负温交替变化对混凝土导热系数的影响机理,进行了温变条件下混凝土导热系数模型研究。提出不同温度下的混凝土孔隙内液相(冰水相)导热系数计算理论,用以表征不同温度下混凝土内部孔隙溶液相变演化特征。从混凝土细观复合材料角度出发,将混凝土看成由等效固相、混凝土孔隙内液相(冰水相)、气相组成的三相复合材料,建立了含温度、饱和度及孔隙分布的串-并联混凝土三相复合材料导热系数计算模型,并与其它模型进行对比计算分析。研究结果表明:串-并联模型计算出的寒区混凝土导热系数与实测值有较好的一致性,且计算精度较高,相对误差范围为8.83%~24.13%;模型计算结果较好地反映了寒区混凝土导热系数与饱和度及温度间的相关关系,在温度敏感区(-10~0 ℃)内,混凝土导热系数发生骤变,变幅范围为2.59%～8.47%。混凝土孔隙内液相(冰水相)导热系数计算模型有效地刻画了温变条件下孔隙溶液相变特征,串-并联三相导热系数计算模型也客观地揭示了正负温交替变化下混凝土导热系数的演化机理。     

不同温度条件下混凝土导热系数影响因素研究

为了研究混凝土在不同温度条件下的导热系数变化规律,利用单因素试验方法,以骨料体积分数、砂率、水胶比、饱和度粉煤灰掺量、矿渣掺量为因素,采用QTM-500导热仪测试混凝土在不同温度条件下(-30～20 ℃)的导热系数,并分析各影响因素对混凝土导热系数在不同温度条件下的变化规律,最终得出混凝土导热系数与各因素之间的预测方程。结果表明:混凝土导热系数与温度呈负相关性;混凝土导热系数随着骨料体积分数的增大而增大,随着砂率的增大而减小;干燥状态下,混凝土导热系数随着水胶比的增大而减小;饱和状态下,混凝土导热系数大于干燥状态下混凝土导热系数,随着温度的降低,尤其在0～-10 ℃时,混凝土导热系数骤增;混凝土导热系数随着粉煤灰、矿渣掺量的增加而减小;通过对试验结果进行多元回归,得到了混凝土导热系数与各因素之间的计算模型,该模型预测精度较高。研究结果可为混凝土结构内部温度场的精确计算、保温隔热性能以及表面裂缝的控制提供理论依据。     

基于多相复合材料的混凝土导热系数预测模型

混凝土温度场分析是混凝土结构耐久性以及服役寿命预测的重要依据,而导热系数则是确定时变温度场分布的主要参数。考虑材料组成的非均质性,将混凝土视为由连续相水泥砂浆、分散相粗骨料以及二者薄弱界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并基于复合材料导热系数模型,建立了混凝土及其组成单元(水泥砂浆和ITZ界面)导热系数的计算模型;在此基础上,对比分析了水灰比、粗骨料体积分数、砂率、饱和度和界面热阻等因素对混凝土导热系数的影响规律。结果表明:混凝土导热系数随饱和度、粗骨料体积分数的增加而增大,随水灰比的增大而减小;考虑界面热阻的混凝土导热系数预测模型,能够更好地揭示饱和度与砂率对混凝土导热系数的影响机理。     

考虑温湿耦合的混凝土导热性测试研究

混凝土导热系数是大坝温控仿真计算中的重要参数,其数值大小不仅受混凝土各项组成成分影响,还与温度和湿度密切的相关。为了较为准确量化温度及湿度对导热系数的影响,基于傅里叶热传导定律,首先提出了一种能够同时考虑温度及湿度影响的混凝土导热系数测试方法,然后构建了相应的测试系统,最后对不同温度和湿度条件下的混凝土导热性进行了测试研究。通过获取外界温度剧烈变化条件下混凝土内部的热响应数据,采用最小二乘有限元方法反算得到导热系数,结果表明,该测试方法能够同时考虑温度及湿度作用对混凝土导热性的影响。混凝土导热系数随着温度的升高而呈现先减小后增加的非线性变化趋势,在0℃左右取得最小值;混凝土的导热系数随着湿度的增加而单调增大,湿度较低时,增长的速率较大,混凝土湿度较高时,增长的速率较小。     

基于保温试验的薄壁混凝土等效放热系数反分析方法

【目的】采取保温措施是保证混凝土温差不超标的主要温控措施之一。其中准确的表面放热系数计算公式是获取保温参数的主要途径。【方法】基于混凝土等效放热系数计算基本公式，充分考虑风速、温度、湿度、粗糙度、黏结面积等边界影响因素，分析上述因素对保温参数的影响规律，解析计算考虑各项边界影响因素的保温参数求解关系式。同时，基于多个船闸闸室底板的温度监测数据对覆盖不同保温材料的混凝土等效放热系数进行反演分析，对比分析传统计算公式、改进后公式与实测反演结果。【结果】结果显示，提出的考虑各个边界条件影响因素的等效放热系数求解公式获取的结果与实际反演较为一致，可以应用在设计施工阶段确定不同边界条件下保温参数的精确求解，【结论】研究成果可以为混凝土温控防裂提供专业技术支撑。     

圆管壁粗糙度对圆管内流态影响研究

基于尼古拉兹圆管实验思想,利用颗粒流程序中的流体计算模块,实现了对圆管壁粗糙度的模拟,进而分析了不同粗糙度对圆管断面流态分布的影响以及在不同压力差作用下平均流速与圆管壁粗糙度之间的关系。研究结果表明:圆管内流体流速受管壁的扰动影响,在横截面上呈U型分布,而非抛物线型分布;圆管壁对管内流体流态的影响范围随管壁粗糙度变化而变化,圆管管壁相对粗糙度越大,管内受扰动流体范围越大,即管内层流范围越小;在管壁粗糙度一定的情况下,圆管断面流量随上下端面压力差的增大而增大;在相同压力差作用下,圆管断面流量随管壁相对粗糙度增大而逐渐减小,颗粒的阻流作用明显;随着管壁粗糙度的增大,圆管上下端面受压力差作用的影响范围也随之增大,使管内流体流态变得更加复杂。     

考虑配筋影响的混凝土导热性分析

为了定性、定量研究钢筋对混凝土结构整体导热性的影响,采用复合形法并结合有限元数值模拟分析了配筋率及钢筋布设方式对混凝土导热性的影响规律,进而基于Weiner-bound模型,引入参数μ_1、μ_2作为表征上下限数值对钢筋混凝土有效导热系数的权重,发展了一种考虑不同方向配筋率影响的混凝土导热系数模型。研究表明:钢筋混凝土的导热性随着配筋率的增大而增大,钢筋的布设方式对混凝土导热性的影响同样明显。当竖向钢筋的配筋率从0%增长到8.038 4%时,竖向导热系数λ_z最大增幅为64.52%,而平面正交方向的导热系数增幅仅为15.34%,这说明在相同配筋率的条件下,平行于热流传导主向布置的钢筋对于结构整体的导热性提升较大,而垂直于热流传导主向布置的钢筋对于结构导热性提升相对较小。不同方向布置的钢筋对于导热张量主元的影响程度不一,使得钢筋混凝土的导热性呈现出各向异性。将钢筋混凝土模型实测数据与模型预测值相对比,两者数据偏差基本在±10%以内,模型适应性强,可用于考虑不同方向配筋率的钢筋混凝土导热系数预测。     

开裂混凝土有效导热系数的细观数值研究

通过建立一种细观数值模拟方法,研究了混凝土力学行为对其导热性能的影响,揭示了有效导热系数在拉伸破坏过程中的变化规律。研究发现,混凝土开裂明显阻碍热流通过,导致其有效导热系数显著下降,而且,有效导热系数变得各向异性,造成热流方向改变。因此在热-力耦合计算中不能忽略裂纹对温度场的影响。继而研究了骨料体积含量对开裂混凝土导热系数的影响,结果表明无论是开裂前还是开裂后,骨料体积含量越高,其导热性能越好,有效导热系数下降率越大。通过与已有试验成果比较,验证了本文细观数值模型的正确性,所给出的预测开裂前后混凝土导热系数的方法,可用于热-力耦合分析。     

基于热-流耦合的冷却水管降温效果及其参数敏感性分析

水管管径、水管长度、管内流速、流量等因素影响着冷却水管降温效果,为了对上述因素进行优化,基于Ansys中的Fluent和Workbench平台,建立包含热流耦合与湍流模型的三维有限元模型,获得精细的混凝土温度场及水管水温沿程变化,以探讨冷却水管降温机理,以及降温效果与管内流速、管径、管长等变量之间的关系。结果表明,冷却水的流速或流量存在能够使降温效果和成本控制达到最优的值;冷却水管的降温效果与管径呈正相关;冷却水管长度、交替通水流向变换间隔与沿程效应的强度均呈线性关系。无论是流速还是流量,都存在获得较优降温效果时的合理量值;合理控制冷却水管的长度且进行交替通水,可解决沿程效应带来的降温不均匀问题。管长不大于200 m的水管,流向变换间隔时间可选择1 d,通水流量不宜大于2. 5 m3/s。研究成果对于混凝土温控措施中各参数的优化选择具有借鉴意义。     

含水率对黏土及沙土导热系数的影响

土壤导热系数是土壤源热泵换热性能的重要影响因素,而含水率是土壤导热系数的主要影响因素之一。采用热探针法进行室内试验,测定含水率为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%黏土的导热系数,含水率为0%、5%、10%、15%、20%、25%沙土的导热系数。结果表明:黏土导热系数随含水率提高的变化分三个阶段:含水率为0%~5%时,导热系数缓慢增长;含水率为5%~25%时,导热系数与含水率呈正相关线性快速增长并达到峰值;含水率超过25%时,导热系数增长趋缓且有下降趋势。沙土导热系数随含水率的变化情况与黏土类似,也分三个阶段,但线性增长的含水率区间为5%~20%。在一定含水率范围内,土壤导热系数随含水率的提高而增大,因此土壤源热泵建设于地下水富水性好的区域可获得较好的换热效果。采用最小二乘法拟合了黏土和沙土的导热系数与含水率呈线性关系阶段的相关方程。     

通过监测资料反演严寒地区混凝土热学参数的方法

在新疆严寒地区,日气温变幅较大,寒潮频发,对混凝土采取保温措施后,进行混凝土热学参数的反演过程中,根据以往的经验公式及简化计算,计算结果与实际误差较大.通过建立混凝土温度场的数学反演模型,推求混凝土的热学参数(导温系数、等效表面放热系数),并结合工程实例给出了求解过程.     

冷却管导热性能对混凝土坝后冷的影响分析

预埋冷却管通水冷却是混凝土坝主要的人工温控措施。采用大导热系数的金属管加快了冷却速度,但是成本高,施工费时费力;普通塑料(HDPE)管虽然成本低,但是导热性能差,延长了冷却时间。此文旨在通过分析冷却管的导热性能对混凝土冷却效果的影响,能为开发一种在技术和经济上兼优的冷却管提供参考。     

基于遗传算法的混凝土施工通水冷却系统参数优化研究

针对蜀河水电站工程概况、水文地质和气象条件,基于传统公式计算出其混凝土施工通水冷却系统的关键参数。基于热力耦合和流固共轭传热方程建立了混凝土结构体通水冷却有限元仿真模型,实现了流固双向耦合数据传导,计算了混凝土结构体的温度场和应力场分布。以冷却系统的能源消耗最低为目标,采用加权法求取混凝土结构温度和应力作为遗传优化的判别条件,应用遗传算法对不同冷却水流速、冷却水温度和冷却水管直径进行了综合优化。优化结果表明,在保证总体冷却效果的同时,优化方案的经济性可提高16%,为混凝土施工通水冷却系统的高效节能提供了实证参考。     

混凝土坝中后期通水快速调控研究

混凝土坝中后期通水冷却是一个复杂多因素问题,与通水水温、通水流量和通水时间等相关。基于中后期冷却期间浇筑仓温度动态预测模型,提出了一种中后期通水快速调控方法。先将无热源水管冷却计算式和浇筑仓实测温度相结合预测浇筑仓降温曲线,然后结合中后期冷却的降温速率和目标温度,采用优化算法获得混凝土浇筑仓优化通水方案。实例分析表明,基于无热源水管冷却计算式的浇筑仓温度动态预测模型计算工作量小,混凝土坝中后期通水快速调控方法是可行的,可为混凝土坝中后期通水调控提供及时参考。     

严寒地区大坝混凝土降温速率研究

针对严寒地区大坝混凝土的降温速率问题,以丰满水电站碾压混凝土重力坝为例,采用有限元法进行仿真分析计算,研究了降温速率的作用及其影响因素。研究结果表明:通水冷却、表面保护、体型及环境温度均会对降温速率造成较大的影响,继而影响混凝土温度应力的发展:增大早期降温速率可以减小后期温度应力,但存在早期开裂风险。然而,减小中后期降温速率可以充分利用徐变和强度,减小开裂风险。     

输水隧洞支护结构热力学参数敏感性分析

面对高岩温对地下洞室工程施工造成的诸多不利影响,文章以辽宁省观音阁输水工程的输水隧洞高岩温施工段为工程依托,利用数值模拟的方法对输水隧洞支护结构热力学参数敏感性进行了深入分析。结论显示:喷层比热为不敏感参数,其余三个参数为敏感参数,并且线膨胀系数和导热系数的影响更为显著。建议施工过程中尽量选用线膨胀系数小、导热系数高的材料。