泵送混凝土管道冲蚀疲劳失效数值模拟

为研究泵送混凝土中非牛顿流体-颗粒、颗粒颗粒和颗粒管壁之间的相互作用,探明管道堵塞机制,基于计算流体动力学和离散元法(CFD-DEM)分析了混凝土各相在泵送过程中的运动演化规律;利用非牛顿流体-颗粒两相流管道侵蚀寿命预测模型分析了混凝土流动对管道壁面的冲蚀磨损机制,预测了管道的冲蚀疲劳寿命。结果表明：模拟结果与工程及实验相吻合,在管道流场发生变化处(进口、出口、弯管处)管道壁面冲蚀相对严重,该部位的寿命仅为工程工况条件连续工作29 d;此外,颗粒粒径越大对壁面的磨损越严重,粒径范围15～30 mm的颗粒与管壁之间的切向作用力占比达42.81%,导致能量损失33.02%;弯管段颗粒碰撞次数大约是直管段的2倍,颗粒在直管段的动能明显高于弯管段且弯管段的切向动能损失高于直管段,这说明弯管段更容易堵塞。模拟结果能够为泵送混凝土的管道设计及维护提供理论支撑。     

基于响应面分析的隧洞开挖过程优化设计研究

为了更好地分析隧洞开挖过程中侧壁应力、变形等参数的变化情况,对岩体采用D-P准则模型设置材料性能,并且通过生死单元法的开挖方式来了解整个过程中隧洞侧壁应力的变化规律;同时建立了一种基于响应面的侧壁应力应变多目标优化方法,基于敏感度选取对侧壁应力应变有影响的关键参数,应用响应面方法建立变量与多目标函数的响应面多元回归模型,分析影响侧壁应力应变的参数交互作用,最终在满足隧洞设计要求的条件下,确定以降低侧壁应力与应变为目标的最优组合。结果表明:在开挖的过程中,主要应力变化集中在第2步开挖中,该过程中应力、应变的峰值和方向发生了极大的改变,应力峰值从9. 7×10~5Pa变为1. 47×10~6Pa,方向从沿侧壁向外转变为沿侧壁向内,这易导致隧洞侧壁的坍塌;在响应面分析优化下将截面长、截面宽组合设计为1. 35、2 m后,其应力峰值下降了10. 01%,采用生死单元开挖方式结合响应面优化的方法能够为隧洞设计优化和开挖过程参数提供有效的分析。     

再生骨料透水混凝土动态破裂数值模拟研究

为了了解再生骨料透水混凝土在碰撞下的破坏机理及其损伤演化规律,基于SCDM三维建模技术和Ls-Dyna的有限元分析方法,通过研究不同孔隙率(15%、20%、25%)和不同碰撞速度(2、5、10m/s)下的混凝土动态破损过程,量化在不同影响因素下破坏过程中的Von Mises应力变化,同时利用响应面法分析单一因子及多因素联合效应对响应值的影响规律。结果表明,再生骨料混凝土在受到低速碰撞时,其破坏以外表面为主,而在高速碰撞下的破裂模式是由中心向四周炸裂扩散,且应变率随着冲击速度的增大而增大,孔隙率对其影响较小。     

运用响应面法对透水混凝土堵塞试验分析

透水混凝土作为海绵城市建设排水工程中的透水铺装、排水明沟及生物滞留设施建设重要材料,得到了广泛推广和应用,但透水混凝土在长期使用后,其具有的多孔性特质导致堵塞物质随地表径流进入孔隙,堵塞现象不断加剧导致透水混凝土透水性功能丧失。针对堵塞涉及的雨水径流水头高度、水平径流速度和试件孔隙率三个关键影响因素开展试验和模拟分析,探讨应用响应面软件研究透水混凝土的堵塞规律。试验结果表明:雨水径流水头的高度对孔隙堵塞影响性最高,而孔隙率和水平径流速度的交互作用对孔隙堵塞的影响程度显著。     

基于泵送混凝土管道堵塞破损特性CFD分析

针对龙开口水电站在泵送混凝土过程中存在的管道堵塞、弯管处破裂、泵送混凝土离析度大等问题,基于流体模型与颗粒流动力学理论相结合的方法,将体积分数引进到质量、动量和能量守恒中,从而构成连续性方程,分析各相之间的耦合作用和曳力规律;采用CFD数值分析方法结合实际施工工况分析混凝土泵送过程中产生问题的原因。结果表明,随着固体颗粒对管道的冲蚀导致粗糙度增大,通过动压力、流速、离析程度、溶蚀情况、质量差等方面表现出来,严重影响了混凝土的正常泵送,最终导致离析度增大流动减缓,在弯管处形成堵塞或破损。研究成果可为解决此类问题提供参考。     

渗流边坡失稳过程数值模拟

为了解持续降雨过程中土质渗流边坡的稳定性变化,用CFD-DEM耦合方法建立三维土质边坡模型,设定土壤颗粒之间接触参数以满足土质边坡特征并形成离散元边坡模型,通过CFD中DDPM耦合实现颗粒占用体积分数模型,基于土壤渗流过程中从非饱和状态到饱和状态进行液桥力API的开发来实现颗粒在渗流过程中粘结力及流场变化。应用此模型分析饱和状态下边坡失稳的情况,结果表明：在整个渗流过程中,从上部到下部,由于压实作用,各监测点渗流速度逐渐减小,符合渗流边坡非饱和阶段开发的液桥力实际情况,渗流速度最大处即为边坡失稳的初始点。     

基于流固耦合作用下泵送混凝土管破损的力学特性分析

为明确混凝土泵送过程中弯管处的冲蚀破损机理,寻求合理的改善方法,利用ANSYS双向流固耦合流动模型,采用颗粒多相流和管道壁面相互作用传递数据的方式,模拟龙开口#1隧洞的泵送过程,得到应力、应变、应变能的变化曲线和云图。结果表明,泵送混凝土管道内部的应力、应变、应变能随时间呈现波动变化,持续的应力波动导致管材疲劳,增加了材料老化和破损几率,这是导致弯管处材料硬化开裂的主要原因,且弯管上半部分的应力峰值更高更易破裂。研究成果对于改进弯管处设计有重要意义。     

微颗粒通过透水混凝土运动堵塞规律研究

为了研究透水混凝土内部孔隙中渗流及堵塞问题,采用透水混凝土堵塞测试装置模拟降雨初期地表微颗粒透过混凝土的流动规律和分布情况,利用CT扫描技术并结合Avizo软件重构其内部的孔道结构,用CFD中DEM模型(计算流体力学中的离散颗粒模型)对昆明市地表微颗粒通过透水混凝土的过程进行多相流模拟。结果表明:CFD数值模拟得到的结果和实验比较吻合,颗粒粒径范围100～500μm的地表微颗粒对混凝土有一定程度的堵塞,仍具有较好的透水效果(较高的渗透系数),而100μm以下加入之后的颗粒堵塞较为显著,且渗透系数基本趋近于0;但更为重要的是通过DEM模拟分析发现0～50μm的小颗粒通过混凝土时渗流速度缓慢并且部分粘连在孔道壁面导致直径减小影响渗流效果。