寒区复合地基的温度场、水分场与变形场三场耦合模型

在冻土多相介质静力平衡方程、质量守恒原理、能量守恒原理、土骨架与冰颗料、水之间的传力机制及水、冰之间相变机制的基础上,系统地推导了冻土中土、冰、水三相介质的温度场、变形场、水分场三场耦合问题的微分控制方程,开发了相应的冻土三场耦合数值分析软件CDST,并对该软件的可靠性及分析精度进行了验证,最后对一寒区碎石桩复合地基实例进行了三场耦合有限元分析,分析计算结果显示:a.冻胀与融沉量不仅与温度升、降幅有直接关系,还与土体渗透系数有密切关系,将复合地基的渗透系数降低一个数量级,入冬时地基的孔隙水渗透变缓、冻胀加剧;b.碎石桩与砂土地基因不同的导热性、渗透性造成不同的冻胀、融沉特点,说明了碎石护坡,碎石路基施工措施的防冻胀机理,进一步的系统分析与数值试验,可为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据。

非饱和正冻土的三场耦合理论框架

在"饱和正冻土的理论构架"的基础上,假定了冻土体内的空气的流动是一种Darcy流,进一步考虑了非饱和土中气相的影响,提议了一种综合考虑两种极端情况: (1)气体与外界完全相通. (2)气体与外界完全不相通的相关水、热、力相耦合的多孔多相介质理论构架--半连通、半封闭非饱和正冻土理论构架.重点讨论了较简单的气体半连通半封闭的非饱和孔隙冻土体的三场耦合模型.为检验三场耦合分析模型及所开发的针对冻土工程三场耦合模型的软件系统3G2001的合理性与正确性,与214国道花石峡试验路基实测的地温变化和路基路面变形进行了对比验证,对比结果显示:路基中分析所得的温度场与实测值变化规律一致,量化相差大都在10％-20％以内;分析所得耦合变形随时间的变化也与实测值完全一致,路中的分析变形与实测相差也在10％-20％以内.

三场耦合下路面混凝土界面区结构的损伤机制

界面区是水泥混凝土结构中的薄弱区域,为揭示华北地区路面混凝土界面区结构在实际工作环境中的损伤机理,通过室内试验模拟路面混凝土在荷载、冻融和干湿三场耦合下的工作状态,采用数字图像处理技术对不同工作阶段的路面混凝土界面区结构进行图像提取与分析,揭示路面水泥混凝土在三场耦合下界面区结构的动态变化过程,进而研究三场耦合作用下路面水泥混凝土细观损伤机制.结果表明:标准养护3个月后混凝土的界面区宽度在30~40μm之间;随着荷载、冻融和干湿循环三场耦合作用时间的增长,混凝土疲劳寿命明显缩短,达到疲劳破坏时,界面区宽度接近60~70μm;三场耦合作用下界面区的扩展速度明显增加,混凝土的结构密实度逐渐降低,最大裂缝长度先延伸然后减小,而裂缝最大宽度则逐渐增加;最终确定了混凝土疲劳破坏时界面区宽度范围以及界面区结构破坏特征参数临界值.

非饱和岩体三场耦合控制方程

为研究非饱和岩体对温度场-渗流场-变形场三场耦合作用的响应,采用等效连续介质模型,根据质量守恒方程、线动量平衡方程和能量守恒方程以及相应的物性方程(状态方程和本构方程)推导了非饱和岩体三场耦合控制方程,包括岩体变形场控制方程、地下水渗流场控制方程和岩体温度场控制方程.在推导三场耦合控制方程中,舍弃了局部热平衡假设,而采用热弹塑性本构关系,并考虑了温度梯度对地下水渗流的影响.

基于温度-组织-应力三场耦合的耐磨钢淬火工艺

通过实验测定了TNM360耐磨钢在20~900℃范围内的比热容和热导率;测定了耐磨钢的等温转变曲线(TTT曲线)以及100~1000℃之间每隔100℃的真应力真应变曲线以及马氏体相变膨胀曲线,计算得出马氏体转变相关系数;针对10 mm厚耐磨钢板,设计3种淬火冷却工艺:第一与第二冷却工艺相比,钢板运行速度相同,冷却器开启组合不同;第一与第三冷却工艺相比,冷却器开启组合相同,而钢板运行速度不同。并利用Ansys和Matlab对冷却过程的温度场、组织场以及应力场进行模拟计算。结果表明:TNM360耐磨钢3种工艺终冷温度均在技术要求范围内,终冷后组织均为马氏体及少量残留奥氏体,但在冷却器全开,钢板运行速度为1.6 m/s,淬火后残余应力及应变最小,板形最好。

岩体渗流-应力-温度三场耦合的连续介质模型

进行岩体渗流-应力-温度三场耦合研究,是为了更客观地反映作为人类工程活动地质背景的岩体的本质属性。从岩体渗流-应力-温度三者两两之间的相互作用关系出发,分别建立了应力和温度影响下的渗流场模型、渗流和温度影响下的应力场模型、渗流和应力影响下的温度场模型,耦合三者成为岩体渗流-应力-温度三场耦合的连续介质模型;并对此三场耦合模型及其数值解法进行了讨论。

基于三场耦合的脉冲电场杀菌系统的工作过程仿真

脉冲电场(Pulsed Electric Field,PEF)杀菌是将脉冲电压施加到处理室的两极,产生电场对食品物料进行杀菌的过程,在整个过程中,处理室中的电场强度与温度分布是影响系统杀菌效果以及食品质量的两个关键因素。作者在建立同场处理室的三维模型的基础上,根据电场、流场、温度场理论,建立了脉冲电场杀菌系统三场耦合的数学模型,模拟在脉冲电压V、脉宽τ、频率f、流速υ和温度T等条件下,NaCl溶液的流体特性、温度分布以及处理室中的电场分布,得出了同场处理室几何尺寸与温度和电场分布的关系,为优化处理室结构,改善杀菌效果提供重要依据。

采空区三场耦合瓦斯浓度分布规律研究

利用采空区埋管采气技术,对余吾煤业N1101工作面采空区瓦斯浓度分布规律进行研究,得出单一厚煤层综采工作面采空区“三场耦合”条件下的瓦斯浓度分布规律。采空区瓦斯在走向方向上分为:瓦斯浓度稀释区、瓦斯浓度快速集聚区、瓦斯浓度缓慢集聚区。在倾向方向明显分为两个带:在采空区浅部瓦斯浓度先增大再减小,在采空区深部瓦斯浓度变化不明显。根据试验测得的采空区瓦斯浓度分布,提出了对高抽巷附近采空区进行封堵及在采空区瓦斯浓度快速集聚区进行埋管抽放来治理上隅角瓦斯超限的措施。

追根“稻”底:基于三场耦合的小学劳动项目深度实践

新时代的劳动教育不是单一的劳动实践,应该延伸到知识建构、审美教育、科学探究等方面。本文以“稻谷旅行我见证,禾下乘凉共筑梦”项目为例,在“追根‘稻’底”中,探究以劳动项目为载体的五育融合实践路径——链接“实景劳动场”、聚力“实效联动场”、深化“实践体验场”,通过三场耦合,让劳动教育与德、智、体、美更好地融通,在动手实践、解决问题的过程中提升学生的综合素养。

基于FLAC^(3D)的含相变三场耦合简化算法

为了探求简便实用且可服务于实际冻土工程研究的含相变THM(温度场–渗流场–应力场)耦合算法,基于含相变三场耦合能量平衡方程和冻融过程能量阶段假设,提出水–冰相变简化算法;对热–流–力算法进行串并联,得到三场耦合简化算法;并将该简化联合算法应用于FLAC^(3D)对室内岩样冻融试验进行再现,模拟结果与室内试验结果吻合较好,表明该简化算法可行。同时对试验进行扩展,探讨不同因素对温度场和变形场的影响,结果表明:对流换热系数、冻结温度、环境温度越高相变持续时间越短,径向最大冻结应变越大;孔隙率或含水率越大,相变持续时间越长,径向最大冻结应变越大;膨胀系数和冻融循环次数越大,径向最大冻结应变也越大。研究成果对认识岩石冻融环境下温度、变形规律以及相关室内试验设计有一定的参考意义。

水–热–力三场耦合分析平台的升级与验证

水–热–力三场耦合研究是岩土工程领域的前沿课题,在冻土路基工程、核废料处置和地热开发等方面均有着广阔的应用前景。通过对原分析平台3G2001的深入剖析,指出该分析平台存在的不足,对分析平台解法块部分子程序和等效刚度矩阵主元太小等程序内部缺陷进行修正,并对分析平台进行升级。最后借助于E.Penner和T.Ueda的单向冻胀试验,验证升级后的平台的可靠性和精度。研究表明:3G2012分析结果与试验实测数据及M.Shen和B.Ladanyi的分析结果均吻合较好,符合冻胀规律和工程经验,特别是对冻胀变形的模拟较M.Shen和B.Ladanyi等的计算结果更接近实测值,能够推广应用于解决实际岩土工程问题。

基于三场耦合的膨胀土边坡浅层坍滑数值分析

为研究膨胀土边坡浅层坍滑的原因,利用有限差分软件FLAC^(2D),借鉴已有多场耦合数值计算思路,通过二相流与热模块模拟了降雨条件下坡体内的非饱和渗流过程及膨胀土的吸湿膨胀;并依据膨胀土饱和度与温度及热膨胀系数的转换关系,利用FISH软件编制了程序调用两模块的信息,实时模拟了土的吸湿膨胀效应,实现了考虑地下水位和渗透系数变化、强度衰减三因素下的膨胀土坡渗流场-位移场-应力场的三场耦合。并基于此,建立了考虑和未考虑膨胀变形的数值模型,分别模拟了降雨条件下计及和未计吸湿膨胀的边坡非饱和渗流过程及其稳定性,对比分析同降雨强度但不同历时、是否计及吸湿膨胀边坡的渗流场及稳定性的差异,揭示膨胀土吸湿膨胀是引起边坡浅层坍滑的重要原因;据此进一步研究不同降雨强度、降雨历时下膨胀土边坡的稳定性,同时对比分析边坡渗流场和应力场的变化及其分布规律,得到不同降雨条件对边坡浅层坍滑的影响。

冻融循环作用下多年冻土区公路路基三场耦合分析理论模型

冻土体在冻胀、融沉过程中受控于土体中的水、热、力的变化规律,其本质是冻土多孔介质中颗粒、冰晶体、未冻水这3种物质在温度势、土水势、压力与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。基于饱和冻土冻融循环过程中,土水体系冰-水相变及未冻水的迁移规律,采用热物理学基本原理,推导了冻土水、热、变形三场耦合的理论架构模型与基本方程。同时选取青藏公路典型路面建立冻土路基二维数值计算模型,对其趋势和规律进行了初步分析,验证了构建的三场耦合理论框架的合理性和可行性。

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。

基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

当前随着经济的飞速发展和科学技术的进步,广大寒区的道路、水利、建筑、能源等工程应运而生并迅猛发展,特别是在我国随着青藏铁路的建成通车,关于冻土的物理力学研究显得越来越重要而急迫.冻土问题是涉及到地理学、物理学、力学等多学科的综合性问题.

应力场、渗流场、流场耦合系统问题

三场耦合系统问题，即应力场、渗流场、流场耦合问题，是实际工程中经常会遇到的问题，至今还没有得到很好地解决。本文参照Sandhu和钱伟长的成果，建立三场耦合问题的分析方法。该分析方法是解决三场耦合系统问题的一般性理论方法，为该问题的解决提供了理论基础。

冻土区输油管道周围土壤的水热力三场研究

针对冻土区埋地输油管道将遇到受土体冻胀和融沉破坏等一系列特殊问题,综述了管道周围土壤水分场、温度场、应力场及三场耦合的研究现状,介绍了冻土区埋地输油管道与水热力三场的关系,分析了目前与冻土区埋地输油管道三场研究相关的研究成果。结合埋地输油管道在实际运行中的油温变化等因素,提出了未来关于冻土区埋地输油管道三场研究的几点建议,以期为冻土区埋地输油管道的设计、建设与运行提供参考。

共场处理室耦合场仿真软件开发与分析

高压脉冲电场(PEF)杀菌技术是当前最为热门的非热杀菌技术之一,而PEF系统中处理室的设计和优化是该技术的研究重点之一。以共场处理室为研究对象,分析处理室在工作过程中内部存在的电场、流场以及温度场的关系,开发2D同场处理室耦合场分析软件,简化了建模过程,使物理场仿真过程更加直观。并以此为工具,对提出的4种结构的处理室温度场与电场进行对比仿真分析,得到了处理室结构的优化方向。同时得出,在设计更优处理室结构时,温度分布是最重要因素。

基于流—固—热耦合的高温伺服阀蛇形流道散热罩散热效率研究

电液伺服系统具有液控负载大、响应快的特点,因此其被广泛应用于航空领域。由于飞行器处于高温工况时,电液伺服系统会受极大影响,不利于飞行器的正常工作。针对这一问题,本文采用流—固—热多场耦合的方法对高温伺服阀散热罩蛇形流道进行了优化研究。首先,介绍了流—固—热三场耦合的理论基础,设计了7种散热罩的结构参数模型,分别建立了散热罩物理模型及流体模型。其次,在此基础上分析了7种模型的散热效果。研究结果表明,增加流道条数并不能提升散热效率,而增加散热罩沟槽宽度和沟槽深度可以提高散热效率,但散热效果并不明显。如要达到散热要求,可以通过增大散热流体流量、降低散热流体温度来实现。

考虑温度耦合效应的竖井地基固结有限元分析

针对塑料排水板(PVD)安装热源能提升PVD性能、加速竖井地基固结这一工程现象,基于热-水-应力(T-H-M)三场全耦合的有限元方法来模拟利用热源进行地基处理新技术(PVTD)。首先,以微分形式与等效弱形式分别给出T-H-M耦合控制方程,并推导出其有限元方程组。然后在多场耦合有限元软件中建立饱和土的T-H-M全耦合模型,并通过与已有解析解比较,验证了模型正确性。最后,对一个经典有涂抹区的竖井地基算例,分不耦合温度(UT)、耦合温度但不考虑其对饱和土物性影响(CT)、耦合温度考虑温度对饱和土渗透性影响(CTP)3种情况进行固结计算分析。研究结果表明,相对于无热源竖井地基,CT情况下由于热源产生的附加孔隙水压力,固结速度略有下降;CTP情况下,由于热源有效改善涂抹区的渗透性能,竖井地基固结速率明显加快。上述研究结论从理论上较好地阐明了PVTD的作用机制。