块碎石夹层结构冻土路基温度分布数值分析

为研究青藏铁路普通道碴路基和本文提出的块碎石夹层路基的温度场分布,本文将铁路道碴和块碎石夹层的对流换热简化为多孔介质的热传导问题,根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程,应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式,并对普通道碴路基和抛石路基在未来50年的十月份温度场进行数值分析与比较。计算结果表明:在普通道碴路基中,路基下冻土的温度升高和退化,路基阴阳坡下温度的不对称性极为发育,阳坡有明显贯穿路基高温区且坡脚高温聚集,其路基结构很难保持路基及冻土的稳定性和路基的温度对称性性;而在块碎石夹层路基中,路基下冻土上限缓慢抬升且冻土地温保持良好的对称性,阴阳坡下路基温度差异较小且对称分布,坡脚没有温度聚集现象,其路基温度分布有利于保持路基及冻土的稳定性,同时说明了块碎石路基具有良好的调节路基温度的能力。     

导热壁面对三角形多孔腔体内自然对流的影响

采用有限元方法,数值模拟二维三角形多孔介质腔体内的自然对流及其相伴随的传热,着重分析热瑞利数、导热固体壁面厚度、固体壁面与多孔介质导热系数之比及三角形腔体高宽比对腔体内自然对流的影响.     

格子-Boltzmann方法模拟多孔介质内自然对流蓄热过程

以在高温热量存储、太阳能利用和建筑节能中有着广泛应用的多孔蓄热装置为研究对象,基于格子-Boltzmann方法(LBM)的基本原理,建立表征体元尺度(REV)上多孔介质自然对流的热流耦合方程,对多孔介质区域内的定温加热过程进行数值计算,探索了蓄热装置工作效果与多孔介质材料和内部流体特性的关系。分析获得了多孔介质渗透率和工质热膨胀率增大对多孔介质蓄热的强化作用,以及强自然对流作用下温度场分布所出现的不均匀特性。     

流体层流横掠多孔介质中等温平板的对流换热积分解

对流体层流横掠多孔介质中等温平板的二维流动应用Brinkman--Forchheime--extended Darcy模型和流体与多孔介质之间局部热平衡的传热理论建立质量方程、动量方程和能量方程,应用数量级分析的方法对方程组进行了简化,并应用积分法得出了边界层内流体的速度分布、温度分布、以及摩擦系数和对流换热系数的理论表达式。结果表明,多孔介质中平板表面的速度边界层厚度与光板时有明显的不同,其在平板前端迅速增长,尔后变得非常平坦并几乎不再增长;而热边界层厚度则和光板时类似,沿着流动方向不断地增长。     

多孔介质内嵌热源引起的对流换热格子Boltzmann模拟

文中引入广义模型与能量方程来分别描述多孔介质内部的动量和热量传递,建立了底部嵌入矩形热源的二维多孔介质内自然对流的格子-Boltzmann(Lattice Boltzmann, LB)模型.通过和实验结果进行对比,验证了文中LB模型求解多孔介质内嵌热源引起的对流换热问题的正确性.系统地研究了Rayleigh数(Ra)、Darcy数(Da)和孔隙率ε等参数对多孔介质内温度场和流场的影响规律.研究结果表明：当Ra>10⁵时,Ra的增加能够提升多孔介质的整体对流换热强度;当Da>10^-5时,Da的增加能有效改善多孔介质内的流动换热情况;孔隙率的增加能够强化流动换热,但不会改变多孔介质的主导换热类型.     

基于多孔介质理论的冻土水热迁移耦合模型推导

在多孔介质理论的基础上,基于非线性达西定律并假设水分迁移过程为单向、可逆及水分迁移过程中无溶质迁移,推导得出了无相变以及考虑相变的水分迁移方程;引入土体传热方程和土骨架质量密度变化方程,过程中考虑了冻土中温度变化,扩散和对流,以及水分相变和温度、质量变化之间的相互影响。联立各方程得到了非饱和冻土水热分布控制方程,建立了非饱和冻土水热迁移耦合模型。文中亦对模型中具体参数的确定方法提出了建议。方程属于非线性偏微分方程,无法得出解析解,须采用数值解法。     

多孔介质反应器内传热特性模拟

根据多孔介质流动、传热理论,采用了多孔介质内流动、能量传递的相关数学模型,并采用P1近似法处理多孔介质的辐射吸收过程,最后运用CFD软件,计算得出了孔隙率、材料材质、流速等因素对多孔介质区温度场、对流换热系数、努赛尔数的影响.     

基于孔隙尺度的方腔内多孔介质融化模拟研究

由于单松弛(LBGK)格子Boltzmann模型在用反弹格式处理无滑移边界时存在缺陷。基于孔隙尺度,采用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究封闭方腔内多孔介质的自然对流融化过程,其中,通过焓方法考虑相变潜热。分析了Rayleigh数和Prandtl数对融化的影响。结果表明:采用的多松弛模型能很好的预测导热和对流融化过程;多孔介质的导热融化界面不再与垂直壁面平行,自然对流融化界面呈现不规则形状;Rayleigh数和Prandtl数对多孔介质的融化有较大影响。     

多孔介质对贫燃料燃烧极限的影响

根据多孔介质的对流－辐射能量转换原理，研究多孔介质对贫燃料的可燃极限的影响。实验结果表明，多孔介质的作用可明显地降低燃气的贫可燃极限。     

含湿多孔介质对流干燥的不可逆热力学模型

采用不可逆热力学理论和方法,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程的数学模型,并采用ANSYS数值模拟软件进行了数值模拟。通过同已有实验结果的比较,验证了模型的准确性。该模型形式较为简单,考虑了多孔介质内部进行热湿迁移时温度场、浓度场和速度场三者的交叉耦合效应,对改进干燥工艺具有一定的实用价值。     

考虑裂隙的多孔介质中对流扩散现象的仿真模拟

为研究裂隙多孔介质中的对流扩散现象,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法从孔隙尺度下模拟了裂隙中孔隙水的流动过程,仿真实现了考虑裂隙时溶质穿透多孔介质的真实运移过程,并提出一种简化处理的两流区模型对穿透过程加以描述.计算中首先采用SPH方法求解纳维斯托克斯方程,建立能考虑复杂多孔颗粒边界的二维流场模型,并基于此模型进行了溶质穿透三种不同裂隙宽度的多孔介质的仿真实验.随着介质中裂隙宽度增大,裂隙区域流速与基质区域流速差增大,穿透曲线中早期穿透和拖尾现象越明显;采用两流区模型能够描述这一现象,但一般化的模型难以得到精确解,因此提出一种简化处理办法,并给出了该简化模型的解析解.结果表明,该简化模型能够很好地描述裂隙多孔介质中溶质的运移规律,并可反演得到裂隙流中对流扩散的相关参数.     

水泥低活性粉煤灰碎石路用性能的试验研究

目的解决道路基层存在水泥稳定类材料易产生裂缝、二灰稳定类材料存在早期强度不足的问题.方法采用水泥低活性粉煤灰碎石作为路面基层材料,对水泥低活性粉煤灰碎石进行配合比设计以及通过系统的室内试验研究分别对水泥低活性粉煤灰碎石、石灰低活性粉煤灰碎石、水泥稳定碎石的物理力学性能进行分析与评定.结果试验结果表明,水泥低活性粉煤灰碎石的早期强度远远大于石灰低活性粉煤灰碎石的强度,接近于水泥碎石的强度.水泥低活性粉煤灰碎石的早期干缩应变比石灰低活性粉煤灰碎石、水泥碎石小,后期干缩应变比石灰低活性粉煤灰碎石、水泥稳定碎石要大.结论试验所用水泥低活性粉煤灰碎石材料不仅早期强度高,而且抗裂性能较好,可广泛应用于沈阳地区.     

Cooling mechanism of embankment with block stone interlayer in Qinghai-Tibet railway

In order to study the cooling mechanism of embankment with block stone interlayer under open and closed conditions,an experimental railway section was built and data within one freeze-thaw cycle were collected. The results explain well the cooling mechanism of embankment with block stone interlayer. Under the open condition in cold seasons,the enforced convection effect occurs within block stone interlayer when the wind speed is large;however,the weak air convection occurs within the block stone interlayer near the bottom of the embankment when the wind speed is slow. Under the open condition in warm seasons,heat conduc-tion occurs within block stone interlayer due to the change in wind speed and di-rection. Under the closed condition,however,the enforced convection within block stone interlayer is so weak that heat conduction is dominant in the whole year be-cause wind is blocked. Therefore,the cooling effect of embankment with a block stone interlayer to the soil beneath it is produced by enforced convection and weak free air convection;both its process and the cooling intensity are controlled by the local wind speed and direction. Because of the difference in the cooling effects,the soil temperature beneath the embankment has a temperature difference of 2℃―4℃ between the open and closed conditions.     

填石路堤动力特性的试验与数值模拟研究

目的为了揭示填石路堤的动力特性，合理设计填石路堤及路面结构．方法通过室内模型试验得到了动力荷载作用下填石路堤内部动应力分布规律以及动力荷载作用后路堤填料颗粒级配变化情况．再采用MARC有限元软件建立了动力荷载作用下填石路堤数值模型，选用Drucker—Prager弹塑性本构模型对填石路堤的动力特性进行了数值模拟．结果有限元可有效模拟动力荷载作用下填石路堤的应力分布规律，而对于填石路堤在动力荷载下的破坏表现为颗粒棱角的破碎以及细粒料漏失的破坏模式，数值模拟则只能采用塑性区表征．结论提出了确定填石路堤动力荷载影响区域的方法，并建议填石路堤上部应设置足够厚的整体性路面结构层次，避免长期汽车荷载作用下因填料棱角破碎和细粒料漏失而发生沉陷的病害．     

多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现：当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.     

Numerical study on the influence of geometrical parameters on natural convection cooling effect of the crushed-rock revetment

The crushed-rock revetment, considered as a highly porous medium, is often applied to embankment slope to protect the underlying permafrost and ensure the thermal stability of roadway in permafrost regions. In this paper, in order to increase and optimize the cooling capacity of crushed-rock revetment in cold regions roadway engineering, based on the thermal convection theories, the practical geometry and the temperature characteristics of in-situ crushed-rock revetment, convective pattern and cooling effect of crushed-rock revetment are numerically studied, with a thickness of 1.0 m under different geometrical parameters, e.g. sloped angle and aspect ratio. The results indicate that, with a thickness of 1.0 m and a temperature difference of 10.0 ℃ between top and bottom boundaries, due to the existence of natural convection, the effective thermal conductivity of crushed-rock revetment can be increased and the thermal "semi-conductor" characteristics are endowed. However, the convective pattern changes with the variation of the sloped angle, namely, with the increase of the sloped angle, the convection cell number decreases; furthermore, when the flow changes from various cells to a single cell at a sloped angle, the Nu number is the smallest and the cooling effect is the worst, therefore, the corresponding sloped angle is considered as the worst cooling sloped angle. Besides, with the increase of the aspect ratio, the worst cooling sloped angle increases and tends to 32°, also approaching to the in-situ crushed-rock revetment angle 33.7°. Therefore, when the crushed-rock revetment em-bankment is too high, that is to say, the aspect ratio of the sloped crushed-rock revetment is too large, some measures should be taken to enhance its cooling effect, which have been researched and discussed in this paper. It is hoped that some scientific references can be supplied to the design and maintenance of the crushed-rock revetment embankment in cold regions.     

砂率及特细砂与鱼米石比例对高强泵送混凝土性能的影响

介绍采用鱼米石＊与特细砂复合来改善特细砂的级配,采用“双掺”（活性掺合料、泵送剂）技术配制特细砂高强泵送混凝土。利用平行试验和正交试验相结合,研究了诸多因素,特别是砂率和鱼米石与特细砂的不同比例对特细砂高强泵送混凝土的工作性和强度的影响规律。从而为广大特细砂产区配制高强泵送混凝土提供了可参考的重要试验与理论数据。     

胶体类多孔介质微波对流干燥的研究

本文从胶体类多孔介质物料的特性出发，结合微波对流干燥的特点，应用集总参数法，提出了微波对流干燥过程的数学模型。通过数值计算，分析了微波功率、物料特征尺寸、对流介质参数等因素对干燥速率的影响，并以土豆作物料，进行了实验验证。     

管片衬砌配合碎石可压缩层与锚杆的支护型式研究

针对深埋地层中修建盾构隧道,特别是围岩表现蠕变特性,研究一种管片衬砌配合压缩层与锚杆的联合支护技术.采用有限差分与离散元的耦合计算方法,进行了管片衬砌壁后注浆、管片衬砌壁后填充碎石可压缩层、管片衬砌配合碎石可压缩层和高强预应力锚杆的支护效果对比研究.从围岩塑性区发展、沉降随时间变化、管片衬砌弯矩和轴力分析了联合支护效果.从碎石可压缩层的压缩变形路径、锚固围岩的位移矢量等角度揭示了联合支护的细观作用机理.研究结果表明:仅采取管片衬砌配合碎石可压缩层的让压支护手段无法维持管片衬砌的长期稳定;联合支护结构型式既可以提高围岩自身承载能力,也能够有效吸收围岩的蠕变变形.联合支护的作用机理由两部分构成:碎石可压缩层的让压作用与高强预应力锚杆加固围岩作用.其中,碎石可压缩层的让压机理主要通过颗粒间相互嵌挤和错动移位作用调减管片衬砌壁后接触力;高强预应力锚杆的加固机理是由锚杆形成的锚固区控制了蠕变变形的过大发展.研究结果对未来盾构工法修建深部高地应力、强蠕变隧道的支护型式设计具有一定参考价值.