非饱和土中温度引起水分迁移的光滑粒子法数值模拟EI北大核心CSCD

基于光滑粒子法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)的基本原理,尝试着对给出的非饱和土中水热耦合问题进行数值模拟。首先,采用基于SPH算法自行编制的程序对抛物型偏微分方程进行求解,并与解析解做出对比。计算结果表明,SPH算法用来数值模拟抛物型偏微分方程是可行的及有效的,这就为进一步采用SPH算法计算非饱和土在温度作用下的水分迁移问题提供了理论依据。然后,对非饱和土介质中热能传输以及水分迁移的规律进行了数值计算,其中重点计算了不同热扩散系数、温度诱致的水分扩散系数、等温条件下的水分扩散系数和热源条件下的体积含水率和温度分布的特点,并对其演化过程和机理进行分析,从而将SPH算法的应用范围作了扩展。     

非饱和土中温度引起水分迁移的光滑粒子法数值模拟

基于光滑粒子法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)的基本原理,尝试着对给出的非饱和土中水热耦合问题进行数值模拟。首先,采用基于SPH算法自行编制的程序对抛物型偏微分方程进行求解,并与解析解做出对比。计算结果表明,SPH算法用来数值模拟抛物型偏微分方程是可行的及有效的,这就为进一步采用SPH算法计算非饱和土在温度作用下的水分迁移问题提供了理论依据。然后,对非饱和土介质中热能传输以及水分迁移的规律进行了数值计算,其中重点计算了不同热扩散系数、温度诱致的水分扩散系数、等温条件下的水分扩散系数和热源条件下的体积含水率和温度分布的特点,并对其演化过程和机理进行分析,从而将SPH算法的应用范围作了扩展。     

高温环境下汽油机排气歧管振动特性及疲劳寿命研究

为研究热载荷与机械载荷的耦合作用对排气歧管疲劳寿命的影响,对一款汽油机排气歧管进行热机耦合下的振动疲劳寿命分析。通过双向流固耦合的方法得到排气歧管的温度场,进而根据热应力及温度分布建立排气歧管的热机耦合模型,进行热载荷下的频率响应分析。通过计算对比发现,应力刚化效果及温度升高引起的材料力学性能退化使得排气歧管的刚度发生变化,导致频率响应分析得到的应力传递函数发生相应的改变,响应应力幅值及峰值频率均发生了不同程度的变化。振动疲劳寿命预测结果表明,考虑热机耦合的疲劳寿命较不考虑热机耦合的振动疲劳寿命降低了32.7%,热机耦合作用对疲劳寿命影响显著,不可忽视。     

内环梁对风热耦合作用下冷却塔内压取值的影响研究

内环梁作为新型加环冷却塔主要内部构件且考虑到运行状态下周边散热器热源的影响,以国内在建世界最高220 m特大型双曲线间接空冷塔为对象,基于计算流体动力学方法进行了风热耦合作用下冷却塔(共设置三道内环梁)内部流场的数值模拟。在此基础上,探讨了内环梁设置前后冷却塔内表面平均风压分布特性,提炼出了内环梁对冷却塔内压取值的影响规律;从机理上分析了塔内流动状态的差异,同时对比了内环梁对温度场特性的影响,并给出了风热耦合作用下加环冷却塔内压系数取值建议。研究表明:不考虑温度场时内环梁的设置使得内压系数绝对值增大7.3%,考虑温度场作用后内环梁的设置使得内压系数绝对值减小2.3%;为此建议风热耦合作用下加环冷却塔内压取值为-0.42,主要结论可为此类加环冷却塔内吸力取值提供参考。     

考虑风热耦合作用特大型冷却塔内吸力及流场作用机理研究

已有关于冷却塔内吸力取值的研究均忽略了周边散热器产生的热源影响,以国内在建世界最高220 m特大型间接空冷塔为对象,基于计算流体动力学方法对风热耦合作用下的塔筒内部流场进行数值模拟。在此基础上,对比分析了考虑风热耦合效应特大型冷却塔内表面风荷载的三维效应,归纳总结了内压系数沿子午向和环向的分布规律,探讨了考虑温度场后塔内流场特性、压力系数、阻力系数及风阻的差异及产生原因,最后给出了风热耦合作用下特大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明：考虑风热耦合作用后冷却塔内压系数取值增大,同时阻力系数取值及进出风口压差增大。研究建议此类特大型冷却塔在真实风热耦合环境下内压系数取为-0.43。     

巴基纸/SMP复合材料温度场模拟研究

为了优化设计巴基纸/SMP复合材料中巴基纸埋入方式和尺寸参数,采用有限元软件FLUENT分析了加热过程中巴基纸形状及厚度对巴基纸/SMP复合材料温度场分布的影响规律。分析结果显示,和平板形巴基纸/SMP复合材料相比,相同加热工况条件下,矩形弯曲巴基纸/SMP复合材料虽然在加热过程中达到稳态所需的时间略短,加热速度也较慢,最高温度和平均温度相对更低,但是其温度场分布更加均匀。分析认为,巴基纸的形状和厚度改变时,导致巴基纸的单位体积内热源也发生变化,进而影响了巴基纸/SMP复合材料的温度场分布。巴基纸的单位体积热源越大,其产热量越大,巴基纸/SMP复合材料的最高温度和平均温度越高,其温度分布均匀性越差;并且由于散热速率低于产热量的增大,因此巴基纸/SMP复合材料达到稳态所需时间越长。     

动力荷载作用下水-桩-土相互作用简化分析研究EI北大核心CSCD

针对近海结构单桩基础在动力荷载作用下发生复杂的水-桩-土相互作用问题,建立了三维水-桩-土全耦合动力有限元分析模型。土体、桩和水体分别采用实体单元和声学单元模拟,土体截断边界采用滚轴边界条件、水体截断边界采用无反射吸收边界条件,并确定了合理的截断边界位置;以全耦合分析模型计算结果为参考解,系统研究了四种动荷载作用下水-桩不耦合(两者界面自由)和水-土不耦合(两者界面自由)对桩体和海床表面位移和动水压力响应的影响,揭示了不同水深和桩体半径变化下不考虑两种相互作用的影响规律。     

考虑温度影响的饱和软黏土应变软化研究

循环荷载作用下饱和软黏土将产生应变软化现象,通过对宁波饱和软黏土开展温控动三轴试验,研究了温度、频率、初始偏应力、动应力和含水率对土体应变软化的影响,并在试验基础上建立了一个能够考虑温度影响的应变软化模型。结果表明:随着振动次数、初始偏应力、动应力和含水率的增加,土体软化加快,软化指数逐渐减小;随着频率和温度的提高,土体软化程度降低,软化指数增大;建立的软化模型可以较为合理地描述试验温度、频率、初始偏应力、动应力和含水率对土体应变软化特性的影响。     

基于树脂流动的变截面复合材料结构固化过程热-流-固多场强耦合数值仿真

在考虑树脂流动对固化温度场影响的基础上,将树脂流动引入经典热-化学模型,并在考虑了固化过程材料性能时变特性条件下,建立了复合材料热-流-固多场强耦合有限元模型。通过对比文献中未考虑树脂流动对温度场的影响,本文所建模型温度场较实际结果的最大温差更低,厚度密实精度更高,模型可靠性更好。基于所建热-流-固强耦合有限元模型,对变截面复合材料结构固化过程进行数值仿真。研究发现,变截面复合材料结构较厚区域存在明显温度场、固化度场及树脂流场分布梯度,纤维体积分数分布不均性较大,这与结构不同区域的厚度、固化过程温度传递滞后及局部树脂流动受固化效应不同步产生的影响有关。变截面复合材料结构厚度由3.52 mm增加至42.24 mm,截面最大温差由0.3℃增加到34.3℃,纤维体积分数分布不均匀性由0.1%增加到1.3%。     

非饱和土中多相流动的试验研究和数值模拟

针对多孔介质中水、气和非水相流体的多相流动特点,建立了描述非水相流体污染物迁移问题的数学模型。采用离心模型试验和数值分析的方法模拟了土壤非饱和区中的多相流动过程,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。模型试验和数值分析结果表明,轻非水相流体在地表泄漏后,会在重力作用下进入非饱和土体并向下迁移,部分滞留于土体孔隙中;到达地下水位时会浮在水面上并且继续侧向运移;水文地质条件对非饱和土中多相流动特征有重要的影响。     

Theoretical modeling framework for an unsaturated freezing soil

Based on the authors' theoretical modeling framework of the saturated freezing soil, this paper further discusses the air phase in the unsaturated freezing soil in two ideal situations: air in the soil is linked to the atmosphere (the open porous medium) and air in the soil is isolated from the atmosphere (the sealed porous medium). The corresponding theoretical modeling framework for a multi-phase porous medium with interaction of water, heat and deformation is established in this paper. The proposed theoretical model is then extended to the general case (unsaturated half-open and half-sealed porous medium). Also, a finite element numerical solution to the heat-moisture-deformation coupling behavior of the unsaturated freezing soil is obtained. The computer software for solving this problem is also developed. The in-situ measurements for Hua Shixia highway roadbed located in Qinghai–Tibetan Plateau are introduced to compare with the numerical results obtained by the proposed model. The measurement results indicate that the numerical results for the temperature field variations with time are found to be in good correlation with the roadbed depth, just as the relative freezing deformations are correlated with road surface. Numerical modeling results, when compared to field measurements of temperature and deformation, are within 10 to 20%. The comparative analysis shows that proposed theoretical modeling framework and its numerical solution for the temperature–moisture-deformation coupling behavior is suitable and acceptable.     

岩土的非线性冻结模型试验和相似准则

由于冰的比热和导热系数与水的比热和导热系数具有显著的差异性,因此土的比热和导热系数在冻结过程中是不断变化的。依据常热参数建立起来的温度场相似准则,难以准确反映土体在冻结过程中由热参数非线性引起的温度场演变。该文基于考虑热参数非线性变化的热传导微分方程,采用相似变换法导出了冻土模型试验中温度场的相似准则,并给出了采用原土进行模型试验时原型与模型应满足的相似关系。同时,在考虑第三类边界条件对相似准则影响的基础上,导出了模型土应满足的热物性相似条件。在此基础上,分别利用ABAQUS有限元软件对线性、非线性以及考虑第三类边界条件的原型和模型温度场进行了数值模拟,并对冻结过程中特征点的温度演变过程进行了分析。计算结果表明：建立的非线性导热相似准则能够正确反映原型冻土温度场的演变过程,说明模型土热参数的计算方法是合理的。同时表明,满足第三类边界条件的土体非线性冻结相似准则具有明确的物理意义和更高的实用价值。该研究成果为冻土模型试验中模型土的配制提供了切实合理的参数计算方法,为冻土水-热-力三场耦合模型试验的设计和实施提供了理论基础和技术支持。     

The influence of non-linear thermal parameters on moisture content distributions in unsaturated soil

The influence of non-linear thermal parameters on moisture distribution predictions in an unsaturated soil is investigated. A fully non-linear numerical model of coupled heat and mass transfer is used to analyse the one dimensional drying of a stratum of loam. The distribution of moisture content in the upper 0.5 m of soil is the subject of interest. Assumed representative material parameters are used. The results show small but significant changes in moisture content variations when either the value of the thermal conductivity or the heat capacity alone is kept constant. When both are held constant, however, a cancellation of effects occurs. This is attributed to the fact that the thermal gradients in the soil remain largely unchanged when compared with fully non-linear values. Actual magnitudes of temperatures are different but the thermal gradients are not. These conclusions cannot be generalized at this stage beyond the problem dependent results achieved. The results are, however, viewed as a contribution to a greater overall understanding of the complex problem under consideration.     

不同负温条件下冻土导热系数的理论模型和试验验证

基于饱和冻土的三相组成和导热系数量纲定义,将冻土简化为由土柱、液态水、冰柱组成的混合物,进而建立了冻土导热系数的几何模型。考虑实际冻土中三相组成的含量随温度变化而不断变化的事实,给出了随温度变化的水柱和冰柱体积计算与演变规律。在此基础上,利用并联体系导热效果的叠加原理,给出了随温度变化的冻土导热系数计算模型。基于热流传递过程中并联与串联同时进行的耦合特性,建立了考虑固-液界面的导热系数计算模型。将预测值与瞬态探针法的实测结果和Johansen法的计算结果对比后发现,该类计算方法能有效模拟不同负温条件下冻土的导热系数,并且具有概念清晰、方法简单等特点。     

土体冻融过程中水、热、力三场耦合本构问题及数值分析

根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、水分场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。利用自行开发的程序进行数值模拟,加入我们推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对冻土路基水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果。     

非饱和土壤热导率模型的优化研究与应用

本文在Campbell模型和de V-1模型的基础上,以Campbell模型为主,对该模型中的两个参数形状因子（ga）和土壤固相热导率（ ）采用de V-1模型中的计算方法,提出了一种新的预测土壤热导率温度关系的模型。该模型土壤固相热导率和形状因子均考虑了土壤颗粒组成成分,也包含了温度对土壤固相热导率的影响。此外,与前两种模型进行比较,该模型与实验值吻合较好,能够更好地预测土壤热导率。基于该模型,分析了土壤温度和体积含水率两个变量对不同类型土壤热导率的影响。研究表明：在同一温度及体积含水率工况下,土壤热导率是砂土>壤土>粘土。该研究为地埋管换热器周围非饱和土壤热湿耦合迁移模型的建立提供新的思路。     

通州区地热资源优化开采模式动态研究

地热井的优化开采对地热资源的集约高效利用意义重大。根据北京市通州区地层特征和地热井布局建立了三维热储模型,对储层岩体中热、水进行多尺度耦合模拟,利用抽水试验、回灌试验监测数据进行了模型校正。利用校正后的模型,计算了不同采灌量下的热突破时间,预测了现有模式下热突破引起的地温场变化以及不同采量下抽水漏斗的演化趋势,得出通州区域内25眼地热井开采100年后温度场和水位场的动态云图。基于模拟数据,结合通州区现有采灌条件,提出了“一采一灌”、“一采两灌”、“两采三灌”的布井方案,同时进行了不同采灌量下的温度场、水位场的数值模拟,提出了优化的采灌布井模式,为地热资源长期开发利用提供理论支撑。     

Three-Dimensional Magnetohydrodynamic Calculation for Coupling Multiphase Flow in Round Billet Continuous Casting Mold With Electromagnetic Stirring

A 3-D combined finite element-finite volume for magnetohydrodynamic (MHD) calculation method considering the coupling flow field, heat transfer, and inclusion trajectory was developed, and the flow characteristics of molten steel and inclusion trajectory in round billet mold using electromagnetic stirring (EMS) were numerically investigated. The calculation results of magnetic field and temperature in the mold are in a good agreement with the measured data. The influence of EMS on the turbulent flow and temperature in the mold is estimated by the model, which shows that EMS has an obvious effect on the flow and temperature distribution of molten steel, and the macrostructure of the billet.     

Study on long-term stability of Qinghai–Tibet Railway embankment

In order to predict long-term stability of Qinghai–Tibet Railway (QTR) embankment, a moisture, heat and creep couple model is deduced on the basis of principal theories of numerical heat transfer, physics of frozen soil, frozen soil mechanics and rheology of frozen soil. And in this model, the moisture and temperature field are interacted with each other, the parameters of frozen soil change with soil temperature variation and an in-situ creep equation of frozen soil is also included. Meanwhile, a finite element program is written. Then, the long-term stability of the embankment is studied in detail. Through comparing with observation data, it is found that the proposed analytical model is correct and reasonable, thus it can well describe and predict the long-term stability problem of the QTR embankment. Additionally, it is a reference to analyze the deformation problems of other buildings in permafrost regions.