基于数值方法的混凝土细观结构变化规律与力学性能研究

本文基于分形理论,以混凝土试件细观结构中的骨料面积-界面周长关系作为细观结构的表征指标,通过分形维方法将其量化,利用数值方法研究了混凝土试件的细观结构变化规律,分析了试件细观结构变化对其力学性能的影响,并在此基础上进一步探讨了细观结构变化对试件力学特性的影响机理。研究发现:(1)试件骨料投放率的变化对细观结构影响甚小,而试件尺寸的变化则对其影响较大;(2)试件尺寸变化对试件承载力学性能的影响更大,而骨料投放率变化对其影响则较小:骨料投放的增多对承载力的提升作用和对整体应力水平的降低作用在大尺寸试件中更为明显;(3)骨料投放率的增大能提升试件局部开裂应力,但会降低开裂应变,增大开裂脆性,试件破坏呈现出明显的局部特性。     

基于随机骨料数学模型的混凝土弹性模量预测

按照混凝土试件的实际配比计算出各粒径区间的骨料体积含量,对骨料颗粒进行随机投放,生成随机骨料的数值模型。对不同形状骨料的随机骨料模型建立的体积表征单元(RVE)施加均匀位移边界条件,通过有限元方法计算该RVE中的应力和应变场,然后由细观力学数值均匀化方法预测RVE的有效弹性模量。数值计算结果和试验值的对比表明,基于随机骨料模型的混凝土弹性模量的预测是有效的,骨料含量为40%和60%时预测值与试验值相近;由多边形骨料模型得到的弹性模量略高于圆形骨料,骨料的空间分布对于预测结果的影响甚微。假定材料的细观单元力学性质服从Weibull分布时,预测的有效弹性模量结果偏低,且随均质度的减小而减小。     

高寒地区RCC坝越冬层碾压式导电混凝土电阻率细观分析

高寒地区碾压混凝土重力坝越冬层的保温是坝体温控防裂的关注要点。不同于传统的外部保温措施,本文提出一种用于RCC坝越冬层面的碾压式导电混凝土(Electrically conductive Roller-Compacted Concrete, ERCC),可通过自发热解决寒潮期坝体内外温差大的问题。ERCC的电热性能是区别于常规混凝土的主要特性,电阻率是其关键参数。首先制备了不同粗骨料含量的ERCC试件,测量不同龄期下电阻率的变化趋势,得出粗骨料含量对电阻率的影响;进而建立ERCC-2D细观数值模型,分析了界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)对混凝土电阻率的影响,通过数值计算对ITZ进行参数率定;最后通过耦合连续介质与非连续介质计算方法,建立出不同粗骨料含量下的ERCC-3D细观数值模型,通过试验验证细观数值模拟的正确性。可以发现,混凝土中骨料含量增加可显著增大ERCC 28 d龄期的电阻率;ITZ的电阻率为砂浆电阻率1.5倍,且ITZ电阻率对混凝土电阻率几乎无影响;为量化ERCC电阻率与骨料含量和砂浆的关系,结合试验与细观数值模拟提出了ERCC...     

基于粘结裂缝模型的混凝土受拉性能数值模拟

为研究混凝土细观结构对于混凝土受拉性能的影响,采用自编程序建立骨料形状为圆形、椭圆形以及随机多边形三种混凝土细观模型。并批量插入粘结单元,形成粘结裂缝模型。与已有实验对比验证数值模型的准确性。在此基础上讨论了网格尺寸、骨料形状以及数值模型细观参数对于混凝土受拉性能的影响,结果表明:混凝土细观粘结裂缝模型可以很好的模拟混凝土宏观开裂,网格尺寸对于混凝土细观粘结裂缝模型的受拉性能、裂缝扩展形态影响很小,骨料随机分布以及骨料形状对于混凝土裂缝扩展形态影响很大,对于受拉性能影响很小。界面粘结单元的粘结强度和断裂能对混凝土的宏观受拉性能有较大的影响,研究混凝土的力学性能时应优先考虑界面的影响。     

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。     

藏木水电站人工和天然骨料对大坝混凝土试验研究

通过对不同骨料组合大坝混凝土试验研究结果表明,使用天然骨料可以减少混凝土单位用水量,降低混凝土导热系数和绝热温升值,对温控有利;但其强度性能、早期极限拉伸值、自生体积变形等稍低于人工骨料混凝土。     

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求，给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上，形成随机凸多面体骨料模型。同时，研究了细观单元属性判别方法，编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量，而且计及了骨料的实际形态。     

基于XCT扫描图像的混凝土二维细观受压断裂模拟

为了研究混凝土细观层次断裂力学特性,对混凝土试件进行原位XCT扫描,基于扫描图像提出了具有真实内部结构特征的混凝土二维细观模型,并预先在水泥砂浆和骨料-水泥砂浆界面插入零厚度粘结裂缝单元用以模拟潜在的裂缝。通过对该模型进行混凝土单轴受压数值仿真模拟,讨论其裂缝的发展过程以及不同细观结构和相应参数对混凝土断裂损伤行为的影响。结果表明：数值模拟得到的混凝土二维模型抗压强度与试验测得的强度相接近;混凝土的抗压强度受到水泥砂浆和骨料-砂浆界面裂缝单元的绝对数值影响,其中水泥砂浆裂缝单元强度对材料强度起控制作用;骨料-砂浆界面裂缝单元强度与水泥砂浆裂缝单元强度的比率对裂缝衍生发展有显著影响。     

基于 DIGIMAT 的混凝土等效弹性模量研究

通过解析法和有限元分析法在细观结构上研究了混凝土的弹性模量,并与试验比对进行多尺度分析并验证其可行性。在细观结构上混凝土可作为由水泥砂浆、骨料、界面和孔隙组成的多相复合材料,采用 DIGIMAT 软件建立混凝土细观力学模型。本文基于 DIGIMAT 预测了骨料体积比分别取0. 2,0. 4,0. 6 和 0. 8 时的混凝土等效弹性模量值,并分析了各个细观组成部分对混凝土等效弹性模量的影响。研究结果表明: 解析解和有限元数值解与试验测定值相比产生的误差均较小,但解析解与试验测定值更为接近; 随着水泥砂浆弹性模量的增加,混凝土弹性模量随之增加; 随着骨料纵横比的增大,混凝土弹性模量呈下降趋势; 孔隙率增加,混凝土弹性模量减小,界面层厚度增加,混凝土弹性模量也随之减小。研究成果可用于预测混凝土的等效弹性模量。     

开裂混凝土有效导热系数研究:三维模拟与试验验证

利用三维的细观数值模拟,研究了混凝土在单轴拉伸和压缩破坏过程中有效导热系数(ETC)的变化规律,并分别给出拉伸应变、压缩应变与ETC的定量关系。研究发现:(1)拉伸过程中,混凝土试件的ETC在塑性阶段显著下降(23%),但在软化阶段变化很小;(2)压缩过程中,混凝土试件的ETC在塑性强化阶段前期显著下降(30%),在塑性强化阶段后期趋于稳定,而在下降阶段又开始缓慢地减小;(3)骨料与砂浆间界面开裂所形成的界面热阻是导致混凝土ETC在塑性阶段急剧下降的主要原因;(4)开裂强化了混凝土导热性能的各向异性。随后,对单轴压缩破坏混凝土垂直于裂纹方向ETC(C-ETCV)进行了试验测量。数据表明:在单轴压缩过程塑性强化阶段前期,C-ETCV急剧下降20%~25%;在塑性强化阶段后期逐渐趋于稳定。随后利用模拟结果拟合确定了王家俊模型中的界面热阻因子,比较了王家俊模型与试验结果,两者比较吻合,证明了数值方法和王家俊模型的正确性。     

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。     

大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟

并发多尺度区域分解法应用于复合材料力学性能的多尺度数值试验研究,可在同一有限元模型中分别实现对损伤子区域的高精度细观网格剖分和对线弹性子区域的高效率宏观网格剖分。采用随机骨料模型模拟大坝混凝土细观结构,再结合并发多尺度区域分解法,建立了大坝混凝土的并发多尺度区域分解有限元模型;然后,将模型应用于全级配随机凹凸型骨料试件的楔入劈拉试验数值模拟。计算结果表明:(1)该模型能够重现大坝混凝土楔入劈拉试件的跨尺度破坏过程,计算所得的P_h-CMOD曲线以及宏观裂缝区扩展模式均与已有文献的物理试验结果相符;(2)模型的最终计算规模仅为全细观尺度有限元模型计算规模的43.18%。数值试验模拟结果与物理试验所得结果的一致性说明模型合理,此外,计算规模的减小使得模型的计算效率得到了显著提升。     

管间距对通道内竖直排列水平双管自然对流的影响

分析了管间距对圆管自然对流的影响,为解决河道热扩散问题提供理论依据,具有实际的应用价值。抽象出通道内竖直排列水平双管的模型,采用SIMPLE算法模拟了不同管间距下的自然对流现象。结果表明:随着管间距S的增大,两管之间的流动逐渐增强,上管的换热明显增强,Ra越大,增强效果越明显。此外,研究了管间距S对烟囱效应的影响。结果表明:随着S的增大,流经通道的流体流量增加,即烟囱效应增强。     

轻骨料混凝土抗压强度的影响因素研究

在细观层次上将轻骨料混凝土看成是砂浆基体、骨料夹杂和界面层组成的三相复合材料,在此基础上,运用细观力学均质化理论,对混凝土的抗压强度进行了数值模拟,分别探讨了骨料和水泥砂浆的杨氏模量比和轻骨料的体积百分比对混凝土和骨料的抗压强度比的影响。研究发现:骨料与基体的杨氏模量比存在一个临界值,当小于临界值时,混凝土的强度由界面层的抗压强度控制;当大于临界值时,混凝土的强度由骨料的抗压强度控制。     

储能地下含水层两阶段流动换热模型分析

本文考虑了地下含水层储能过程时间跨度大、储能保温分阶段的实际特点，分析了地下含水层流动和换热模型物理参数的对比特点，以热平衡和热扩散原理为基础，建立了分成两个连续阶段的地下含水层储能数值计算模型。该模型以上棉二十九厂先期的同层储能采灌试验数据进行了验证。模型求解中，采用控制容积法，以全隐格式进行热扩散方程的离散化，然后应用Jacobi方法迭代求解，模拟结果和实际观测数据吻合甚好。该模型还分析了含水层储能循环采灌过程中抽出储能水的温度变化的一般特点。结果表明，该数值模拟方法简单而有效，可以为工程建设提供科学依据。     

热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。     

基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。     

The effect of variable viscosity on the flow and heat transfer of a viscous Agwater and Cu-water nanofluids

A numerical study is carried out to study the effects of the temperature dependent viscosity on the flow and heat transfer of a nanofluid over a flat surface in the presence of viscous dissipation. The governing nonlinear partial differential equations are transformed into nonlinear ordinary differential equations, and are solved numerically by the Keller-box method. The numerical results indicate that the effect of nanoparticle volume fraction is to increase the heat transfer and hence enhance the thermal boundary layer thickness. This is true even in the presence of variable viscosity and the viscous dissipation. Furthermore, the results obtained for heat transfer characteristics with nanoparticles reveal many interesting behaviors that warrant further study on the effects of the "nano-solid-particles".