多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。     

再生混凝土抗碳化性能试验研究及理论分析

通过快速碳化试验,以再生骨料掺量、水灰比、水泥用量、原始混凝土强度和矿物掺合料为影响因素,对再生混凝土的碳化性能进行研究。试验结果表明:再生混凝土的碳化深度随水灰比、再生骨料掺量的增加而减小,随原始混凝土强度的增大和水泥用量的增加而增大,适量添加矿物掺和料能降低再生混凝土的碳化深度,提升其抗碳化性能。在已有的普通混凝土碳化模型研究基础上,结合本试验和中国其他学者的试验数据,建立了再生混凝土碳化深度预测模型,模型预测结果与试验值吻合较好。     

高温下水泥基注材料性能试验研究

针对近年来不断出现的高地温条件下注浆堵水加固问题,在室内模拟高温环境,测试减水剂比例一定时,不同水灰比和膨润土掺量的浆液在不同温度下的凝结时间、黏度、析水率和抗压强度。结果表明:温度升高和膨润土掺量增加都使浆液凝结时间缩短、析水率降低,并使水灰比0.8的浆液黏度呈升高趋势,但对1.0和1.2的较高水灰比浆液影响不大;在20 ℃和40 ℃下,浆液随温度升高和龄期增长,结石体抗压强度不断增大,而在60 ℃和80 ℃的较高温度下,后期结石体强度会降低,且掺加膨润土会进一步降低强度。综合考虑浆液各方面性能,认为水灰比0.8时,在低于40 ℃环境下,膨润土掺量为6%较好,温度升高,则掺量为3%比较适宜;对于水灰比1.0和1.2的浆液,膨润土掺量为9%较为合适。     

围护结构内热湿耦合数值模拟分析

围护结构内热湿耦合传递是一个复杂的过程,其研究是降低建筑能耗,改善室内空气品质,提高围护结构性能的基础。CHAMPS-BES软件由美国能源部和雪城大学共同开发,该软件可以用来模拟计算多场耦合,包括热、湿、空气和污染物耦合模拟计算,同时可以用来模拟建筑的整体能耗。介绍了该软件的基本数学模型、边界条件、气象条件等,并分析了某种建筑围护结构内热湿耦合迁移过程,得到围护结构初始温湿度和室外气象条件对其温湿分布影响最大,新建围护结构在约700d后其内部相对湿度才达到稳定周期性变化,所以在为避免日后产生结露、发霉等现象,以及避免降低围护结构的耐久性方面,需要注意减低建筑围护结构的初始相对湿度以及避免建筑长期处于高湿度环境中。     

多孔介质流-固耦合渗流数学模型研究

有效应力是多孔介质力学中一个十分重要的基础概念之一，很多多孔介质力学问题的分析都建立在有效应力的概念之上，因此，如何正确地确定有效应力则是多孔介质有关力学理论成败的关键。     

冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土试验研究

通过在含有100%再生粗骨料的混凝土中同时掺入20%的矿渣和0%,15%,30%掺量的粉煤灰,并进行碳化、冻融和冻融-碳化耦合试验,研究冻融和碳化环境对再生混凝土耐久性的影响,对比分析试件抗压强度、质量损失率、相对动弹性模量、碳化深度的变化规律,建立冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土抗压强度模型。结果表明:粉煤灰掺量为15%时,再生混凝土的抗冻性能最好,当冻融次数大于100次后,粉煤灰对再生混凝土抗冻性能的促进作用开始减弱;粉煤灰掺量越多,再生混凝土的抗碳化性能越弱,当粉煤灰掺量为30%时,其碳化深度是粉煤灰掺量为0试件的2倍以上;在冻融-碳化耦合环境中,冻融作用促进了碳化深度的增长,碳化作用加剧了矿渣-粉煤灰再生混凝土的冻融破坏;建立的矿渣-粉煤灰再生混凝土冻融-碳化耦合抗压强度模型能较好地反应冻融-碳化耦合环境下的抗压强度退化规律。     

土壤—维渗流-传热耦合模型实验及数值模拟

搭建了一维渗流-传热的模型实验台,研究渗流速度、方向对地埋管传热特性的影响.基于多孔介质传热与地下水流动理论,通过仿真模拟软件COMSOL Multiphysics建立了简化的三维数值模型,并将计算值与实测值进行对比验证.研究表明,地下水处于较低的渗流速度时,可忽略渗流的影响,处于较高的渗流速度时,渗流对传热起增强作用...     

多孔围护结构热湿耦合传递过程研究及进展

相对于干热干冷气候区,湿热湿冷气候区的多孔围护结构热湿耦合作用引起的传热计算是一个复杂的过程,在建筑节能工程计算中依然采用的是经验方法.本文以多孔围护结构热湿耦合传递过程为研究对象,对业界在理论研究、计算方法及模拟工具等方面取得的进展进行了深入的研究分析,总结了国内外在多孔围护结构热湿耦合传递过程研究中所取得的主要成果.针对存在的问题,指出了其应用的局限性,同时展望了该领域的发展趋势.     

均匀介质固热耦合有限元数值分析研究

针对油田重油区粘度高、难开发的特点,利用ansys有限元软件模拟重油区情况,对加热区域的热破裂过程进行数值模拟计算。通过数值计算可知由于重油区域岩石本身的导热能力较差,加热影响的范围不大,但大部分区域的温度明显升高,使得稠油粘度和密度降低,提高了原油的流度和采收率,热应力值的范围为705719N/m2～0.209×109N/m2,在邻近加热区域范围内应力较大,因此文章的研究结果对于重油的开采具有一定的借鉴意义。     

多孔介质热、空气、湿非稳态耦合传递改进模型及其验证

考虑适应高温差、高压差的外部环境与空气渗透、风驱动雨荷载等现象,建立了一个墙体内的热、空气、湿的非稳态三维模型。通过构建的PDE方程在COMSOL Multiphysics中求解,将计算结果与HAMSTAD标准实例结果对比。结果表明,在墙体解湿过程中,外部加压条件下内表面温度与基准的最大误差为4.11%,含湿量的最大误差为7.41%。对于恶劣环境下模型与基准对比的最大响应时差提前0.05 h,温度的最大响应时差延迟约0.023 h,验证了新建模型在适应复杂外部条件时具有较好的准确性。     

碳化对碱矿渣水泥浆体微观结构的影响

针对碱-矿渣水泥水化产物中不存在Ca(OH2)且碳化比较严重的现象,选择水玻璃作为碱组分,采用X-射线衍射(XRD)和可变真空扫描电子电镜(SEM)研究了碱-矿渣水泥浆体的碳化产物和微观形貌,结合氮吸附方法分析了碳化对碱-矿渣水泥浆体孔结构的影响.结果表明:碱-矿渣水泥浆体碳化导致的孔隙溶液Ca2+浓度降低由水化硅酸钙(C-S-H)凝胶脱钙补偿,碳化生成的碳酸钙主要以方解石的形式存在;碳化后,C-S-H凝胶的钙硅比降低,浆体的比表面积增大,平均孔径降低,而累积孔体积的变化与水玻璃的模数有关.     

硬化水泥浆体碳化的交流阻抗研究

硬化水泥浆体组分在长期使用过程中所发生的碳化可在交流阻抗谱中得到反映。根据交流阻抗谱的类型和特征可了解其碳化程度和特征。     

碳化对水泥石中硫元素分布的影响

为合理评价混凝土中发生硫铝酸盐膨胀反应的硫酸根离子浓度,应用电子探针显微分析技术,研究了碳化对水泥石中硫元素分布的影响,阐明了碳化作用下混凝土中硫元素的迁移规律.结果表明:碳化前水泥石截面的硫元素分布比较均匀,碳化后水泥石中的硫元素由碳化区向非碳化区迁移和积聚,硫元素在碳化区浓度较低,非碳化区浓度较高,钙矾石含量也随之增大,这种因碳化作用造成的硫元素分布不均匀可能导致混凝土局部发生硫铝酸盐膨胀开裂.     

水泥净浆养护-溶蚀全过程数值模拟

针对材料制备与环境服役过程中水泥基材料的性能演变问题,开展了水泥净浆薄片养护溶蚀全过程中主要物相及微结构演变的定量分析.首先,根据水泥的矿物组成及其水化机理,建立了水泥水化反应的简化模型及其主要水化产物浓度的计算方法;其次,利用Fick定律及质量守恒定律,建立了溶蚀条件下水泥净浆孔溶液中主要离子(K+、Na+、OH-及Ca2+)的传输模型;最后,与已有试验结果对比分析验证了模型的合理性,在此基础上,数值模拟了水泥净浆薄片试件养护溶蚀全过程.结果表明：所建立的模型可定量分析养护溶蚀全过程中水泥净浆孔溶液中主要离子浓度、孔隙率分布及氢氧化钙（CH）、水化硅酸钙（C S H）凝胶浓度的变化规律,且可用于软水环境下水泥基材料抗溶蚀性能的定量设计.     

水泥石体积变形试验研究

讨论了高强混凝土自收缩的特点与危害．提出了密封试样细管排液的体积变形测定方法，该方法可测定水泥石自初凝起的收缩．     

硅酸盐白水泥石面层加速碳化程度与微观结构

为研究加速碳化对白色硅酸盐水泥石强度、碳化程度和微观结构的影响,采用热重分析（TG）定量表征水泥石中的Ca（OH）₂（CH）及CaCO₃含量,通过扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）和压汞仪（MIP）测试水泥石的微观结构.结果表明：与同龄期的自然养护试样相比,碳化养护3、14、28 d时水泥石抗压强度分别提高10.7%、7.3%和5.8%,抗折强度分别提高17.9%、16.1%和14.3%;碳化14 d时的试样继续干湿循环养护7 d仍可明显提高CH含量,碳化28 d后的碳化程度趋于稳定;碳化试样的孔隙率略高且平均孔径更低,其50~200 nm的较大孔数量明显减少,而小于20 nm的微孔数量相对更多;常压下加速碳化反应直接发生在水泥水化产物CH晶体的表面,在CH晶体棱角处的碳化程度最高,碳化产物与之共生.     

水泥胶砂强度尺寸效应试验研究

为探究水泥基胶砂强度尺寸效应的影响规律,通过改变用水量,调整各试验组的水胶比(W/C),来研究不同尺寸下水泥胶砂强度尺寸效应的影响规律.其中试块分别采用40 mm×40 mm×160 mm和20 mm×40 mm×160 mm的棱柱体.结果表明:当水灰比较小时,尺寸效应对抗折强度的影响较为明显,但是对抗压强度影响并不明...     

碳化对粉煤灰水泥石比表面积和孔径的影响

用COULTER SA3100比表面积和孔径分析仪研究了碳化前后掺粉煤灰水泥石内比表面积和孔径的变化．结果表明,碳化使水泥石中孔径大于20nm的毛细孔体积减小,而孔径小于20nm的毛细孔体积增大,总孔体积减小,但内比表面积增大．水泥浆体的水灰（胶）比越大,碳化对掺粉煤灰水泥石内比表面积和孔径的影响越大．     

基于微观信息的水泥水化动力学模型研究

为了精确预测水泥水化过程,分析水泥水化过程中微观结构的时变发展规律,提出了水化单元的概念;基于水泥水化的微观信息,采用Krstulovi(c)-Dabi(c)水化反应动力学方程式,构建了水泥水化度与微观结构之间的联系,考虑了水灰比、水泥化学组分、孔隙水分、温度、水泥颗粒与水的接触面积、水泥颗粒粒径分布等因素对水泥水化过程的影响,建立了改进的水泥水化动力学模型.通过热重分析、压汞试验等一系列试验方法,分析了水泥净浆的水化度、孔隙率等特征参数随时间的发展变化规律.试验结果与模型预测结果吻合良好,表明所建立的模型可以较准确地模拟水泥水化过程的时变发展规律.     

基于群体AHP 物元分析模型的水泥材料环境协调性评价研究

随着我国城市化进程加快,水泥材料用量不断增加,给环境带来了沉重负担。针对水泥材料的环境协调性问题,以大连某水泥厂生产的3 种水泥产品PII52.5R、PO42.5R 和PC32.5R 为例,从节能、环保、健康、舒适、生态和经济6 个方面构建水泥材料环境协调性综合评价指标体系。在此基础上,采用群体层次分析法（AHP）和物元分析方法,建立水泥材料环境协调性群体AHP 物元分析模型。通过群体AHP 方法计算出相应指标的权重,利用物元分析对3 种水泥产品的环境协调性进行评价。研究结果表明3 种水泥产品的环境协调性均处于第一等级,在节能、舒适、经济方面具有较大提升空间,评价结果科学、客观,不仅为解决水泥材料环境协调性评价问题提供了一种有效方法,而且也为水泥行业下一步发展提供依据。