利用封闭式块石护坡调节通风管路基阴阳坡效应

为研究多年冻土区通风管路基和通风管封闭碎石护坡路基在阴阳坡温度差异影响下,温度场的不对称特征和下部冻土上限间的差异,评价封闭块石护坡对通风管路基温度场的调节效果,利用北麓河通风管路基实测温度资料,并考虑气候变暖的影响,分别对这两种路基温度场进行数值模拟分析.分析结果表明,通风管路基具有一定的降温能力,但阴阳坡下冻土上限间差异显著,路基温度场呈现明显的不对称性;在通风管路基阳坡增加封闭块石护坡后,可以降低阳坡下土体温度,减小阴阳坡下冻土上限间差异,能有效调节路基阴阳坡效应.对第50年路基与天然地表交界处年平均热流密度的分析表明,增加封闭块石护坡后的路基结构优于通风管路基,且两种路基均处于吸热状态.     

多年冻土区抛石护坡路堤的阴阳坡差异分析

青藏铁路的走向为北北东——南南西,且穿过高原高海拔地区,太阳辐射较强,其路堤及路基阴阳坡的温度场差异较大.在较为严酷的冻土条件及气候环境下,考虑青藏高原气温未来百年上升3.4℃,通过瞬态热力学的有限元计算,对抛石护坡路堤未来50年内的温度场进行了预测.计算结果表明:差异一直存在,相同月份和日期的阴阳坡温度较差随年份变化极小;阴阳坡温度场差异逐年加深,下伏土层2.5 m深处的阴阳坡温度较差最大值已小于0.5℃;9月中旬和4月下旬的路堤内的冻融线的阴阳效应剧烈;阴阳坡脚冻土上限的阴阳差异在前10年较小,10到30年间逐渐增大,30年后趋于稳定,深度相差约45 cm;路基中心下的冻土上限由建成时的1.8 m退化到第50年时的8.1 m深处.     

冻土区碎石路基对流降温的研究

为了研究碎石层保护冻土地区路基的效果,将碎石路基视为多孔介质,从多孔介质对流理论出发,用Bear J摄动法推导了自然对流的发生条件,总结和分析了冷却地基研究成果,就青藏地区的冻土和气候条件,讨论了碎石路基的铺设厚度和粒径,计算厚度为0.96米,并指出了所亟待解决的问题.     

多孔介质内低热值气体燃烧及传热数值模拟

以一个简化的氧化铝(Al2O3)堆积小球多孔介质燃烧器为模拟对象,使用计算流体力学(CFD)方法对低热值气体燃烧进行模拟研究.考虑气体的湍流扩散和气固间的对流换热及固体间的辐射和导热换热,通过研究多孔介质内的压力分布、速度分布、温度分布及组分分布,对多孔介质内的总的热流密度及辐射热流密度进行对比分析,揭示燃烧器内不同轴向位置的燃烧及换热规律.结果表明,低热值气体在氧化铝(Al2O3)堆积小球多孔介质燃烧器内燃烧时火焰面前沿气固温差大于火焰面后气固温差.火焰面前沿固体温度高于气体温度,热量由固体传向气体,对流换热强度较大;火焰面后沿气体温度高于固体温度,热量由气体传向固体,对流换热强度较小.     

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.     

气体绝缘开关设备母线传热模型的建模与分析

利用有限元方法耦合计算涡流场、流体场及温度场,实现气体绝缘开关设备母线温度预测.根据传热学及流体动力学理论建立母线各组分辐射换热方程及对流换热微分控制方程,给出了模型边界条件,计算出母线的温度场分布.根据计算结果,确定了母线外壳及导体表面的分布对流换热系数,分析了母线对流与辐射换热百分比.与工程算法的对比表明,该方法能够准确预测气体绝缘母线导体及外壳温度,对于正确了解气体绝缘开关设备母线的温度分布状况具有一定意义.     

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。     

对流换热边界下2D-FGM板稳态温度场精确解

为研究热传导问题的精确解,假设材料的热导率和对流换热系数按相同型指数函数规律分布,基于二维固体导热微分方程,采用分离变量法,给出了2D功能梯度材料(functionally graded material,FGM)板在对流换热边界条件下稳态温度场的精确解,并用有限元法对其结果进行了验证.具体算例分析表明:通过改变热导率梯度变化参数、流体介质温度、对流换热系数和结构几何尺寸可以优化2D-FGM板的温度场分布.所求得的精确解可作为其他关于FGM板温度场分布近似解的参考标准.     

功能梯度材料热传导问题的仿真

为研究热传导问题的精确解,假设材料的热导率和对流换热系数按相同型指数函数规律分布,基于二维固体导热微分方程,采用分离变量法,给出了2D功能梯度材料（functionally graded material,FGM）板在对流换热边界条件下稳态温度场的精确解,并用有限元法对其结果进行了验证.具体算例分析表明：通过改变热导率梯度变化参数、流体介质温度、对流换热系数和结构几何尺寸可以优化2D-FGM板的温度场分布.所求得的精确解可作为其他关于FGM板温度场分布近似解的参考标准.

     

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.     

青藏铁路多年冻土路基热—力稳定性数值仿真分析

结合冻土流变学、冻土物理学、冻土力学和传热学等相关学科的基本理论,并考虑水分场与温度场的耦合作用及温度对冻土路基力学特征的影响;同时引入冻土野外试验蠕变方程,进而建立了冻土路基的水、热、力(蠕变)分析数学模型,并编制了相应的有限元计算程序。随后,以青藏铁路某试验段路基为例,对多年冻土区路基的热—力稳定性问题进行了系统研究,并通过与现场实测数据对比发现,所建立的冻土路基热—力理论模型正确合理,较好地分析预测了青藏铁路多年冻土路基的长期稳定性。     

尾气余热多孔介质热电材料发电的数值试验

汽车尾气具有比较高的温度,在汽车排气管内放置多孔介质,从汽车尾气中得到一个比较大的温差,利用温差发电,提高能源的利用率。根据气固两相局部热平衡的假设,建立排气管内三维稳态数学模型,利用有限体积法进行求解,得出速度场、温度场以及湍动能的分布,得到温度梯度较大的区域,在此区域放置温差发电器件,可以使热电效率得到提升。     

冻结土壤、水水平换热管耦合传热分析

以冻结土壤、水-水平换热管之间耦合传热作用为研究对象,对冻结条件下非饱和土壤连续性方程和热量迁移方程,采用有限容积数值方法进行离散求解,给出了部分温度场、冻结率分布图,并分析了耦合传热原因。分析结果表明:冻结土壤温度场是大致与地表平行的水平线,固液相变区高峰值发生在有回水管的上部,低值发生在无水平换热管的地方,水平换热管使冻结锋面向地表方向偏移,水平换热管进回水位置布置方式不同影响冻结土壤相变区域的大小与位置,回水管在单侧和中间布置是较优的布置方式。     

不同热源位置下室内自然对流换热数值模拟

以不同热源位置下室内自然对流换热过程为研究对象,采用有限容积数值方法对质量守恒方程、能量守恒方程进行离散求解,研究了瑞利数Ra在103～106之间,不同热源位置情况下,室内的流体流线、等温线的分布特征和Nu数的变化。分析结果表明:Ra=103时,等温线以热源为中心向外扩散呈均匀拱形,随着Ra数的增加,等温线逐渐弯曲变形,在冷壁和热壁附近形成薄边界层;流线呈现为两个反向对称的涡,随着Ra的增大,涡的大小改变并发生运动;Ra=103时,D=0情况下的Nu最大;热源的位置对换热量的影响较大,D=0.5时,Nu数曲线最陡,D=0时最平缓;Nu数与Ra数呈幂数关系,拟合的线性相关性可达90%。结论为研究室内复杂传热机理提供理论依据。     

中俄输油管道(漠河—乌尔其段)沿线冻土环境影响评价

中俄输油管道漠河—乌尔其段长约441km,南北向纵贯整个大兴安岭多年冻土区,该区处于欧亚大陆冻土区东南边缘,冻土总体厚度较薄、温度较高、稳定性较低,易受外界因素干扰。本文根据多年冻土的区域分布规律及分布的连续程度,并考虑地温、冻土厚度、植被变化等特征将管道沿线分成4个冻土亚区。在此基础上分析了多年冻土类别特征、多年冻土在地形地貌上的分布规律、冻土工程性质、地表植被、冷生现象等标识性指标之间的相互依存关系,提出了适应于中俄管道沿线多年冻土区的地表稳定型多年冻土环境评价方法。并利用此方法对沿线各个冻土亚区不同地表稳定型的冻土区段进行了统计分析。     

地震荷载作用下陡倾角顺层开挖斜坡的变形破坏模型试验

在汶川地震灾区,顺层陡倾斜坡是一类地震山地灾害非常发育的斜坡类型,而开挖往往加剧了斜坡的地震山地灾害。为了重现斜坡的变形破坏过程,分析斜坡在地震荷载作用下的变形破坏规律。选取平武县平通镇桑树坪滑坡所处斜坡作为顺层陡倾角开挖损伤斜坡的典型实例,进行地震荷载作用下变形破坏的室内物理模型试验。结果表明,开挖加剧了斜坡在地震荷载作用下的变形破坏。从破坏形式来看,顺层陡倾斜坡的坡变形破坏兼具崩塌和滑动二者特征,与野外调查结果吻合。从整个变形破坏过程来看,可以划分为以下阶段:a.地震初始阶段,此阶段开挖呈契形体岩层在地震作用下沿层面微小滑动,坡脚应力剧增;b.开挖岩层坡脚溃曲阶段;c.全面下滑阶段;d.岩层滑动受阻-倾倒阶段。     

工业厂房不同高宽比对室内温度分布的影响研究

以工业厂房的高宽比对室内温度分布的影响作为研究对象,采用质量守恒方程、能量守恒方程进行数值计算,研究了Ra数在103～106之间时,不同高宽比的工业厂房内的等温线、流线的分布特征和Nu数的变化。分析结果表明:随着Ra的增大,房屋内的热传输形式由热传导逐渐向对流传热转换,等温线由竖直逐渐变得水平;室内的流线为环绕于模型边界的两个涡,并随Ra的增大逐渐被分裂,在B=0.5,B=1时,分裂为2个涡流,在B=3,B=2时,分裂为3个涡流,并伴有低湍动状态;Nu数随Ra数的增大而增大,二者的曲线呈幂指数关系,B=3时Nu数最大,表明此时由高温壁面向低温壁面传递的总热量最多。     

微细颗粒物在过滤介质中过滤特性的CFD-DEM模拟

基于CFD-DEM(离散单元法)方法模拟了微细颗粒物在纤维过滤介质中的气-固两相流动特性,模拟时,充分考虑了颗粒群组成、粒径分布、颗粒间及颗粒与纤维间的反弹作用以及颗粒团聚等因素,分析了纤维过滤中颗粒群的运动特性和微细颗粒的沉积形式。结果表明:采用CFD-DEM模拟过滤介质的过滤过程以及微细颗粒在介质表面沉积过程和形式的方法是方便且可行的,模拟结果与前人的实验观测结果基本吻合;在过滤过程中,表面过滤的贡献较大,大部分的颗粒在介质表面即被捕集,进入到介质内部的部分粒径较小的颗粒经深层过滤作用而被捕集;大量的颗粒捕集是由颗粒-颗粒捕集机制来实现的;不同颗粒体系的颗粒群其过滤效果也有所差别,对于本文所研究的过滤介质模型,多颗粒体系的过滤效率比单一的颗粒体系的过滤效率高20%左右。     

超低温冻融循环作用下的混凝土强度

混凝土结构已应用于低温、超低温环境领域,而当前对超低温下混凝土性能的研究很少,超低温冻融循环作用下混凝土强度的研究在国内几乎是空白。参照《普通混凝土长期性和耐久性试验方法》,考虑循环次数、循环时的最低温度、水胶比及外界环境湿度等参数的影响,进行了立方体混凝土抗压、抗拉强度试验及砂浆残样的SEM扫描电镜试验,探究超低温冻融循环作用对混凝土强度的影响及损伤的微观机理。强度试验结果表明,较常规冻融循环,超低温冻融循环对混凝土有更不利的影响,且随温度的降低,水胶比的提高,损伤有加大的趋势;相应地,SEM电镜试验下混凝土砂浆孔径增大,材料变得更疏松,从机理上解释了强度试验结果的合理性。     

横观各向同性土——半封闭隧道衬砌相互作用分析

土体在沉积过程中存在各向异性,将土体视为各向异性体更为合理。考虑土体和衬砌的相互作用,基于饱和多孔介质理论和弹性理论,在频率域内研究了简谐荷载作用下横观各向同性土———半封闭圆形隧道衬砌简谐耦合振动。通过衬砌内边界应力连续以及土体和衬砌界面处应力和位移协调,得到了饱和横观各向同性土和衬砌的位移、应力和孔压解析表达式。利用衬砌中流体速度和土体中流体速度相等,建立了隧道部分透水边界条件,得到了待定系数的具体表达式。数值算例分析了土体和衬砌物性和几何参数的影响,表明:横观各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较大,而垂直于各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较小。另外,相对渗透系数和衬砌厚度对响应幅值有很大影响,而衬砌泊松比对响应幅值影响较小。