复合填料一维冻胀量数值模拟分析

复合填料是以废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯颗粒（EPS）、水泥和水为原料,拌合后形成的一种轻质填筑材料。其中,EPS颗粒含量适当时,能减少或消除复合填料的冻胀和融沉,可作为季节性冻土区的路基填料。假设复合填料中除EPS颗粒外的骨料颗粒、孔隙冰为刚性介质,同时考虑EPS颗粒变形和填料孔隙变形对复合填料冻结过程的影响,在已有的冻土水热耦合分离冰模型的基础上,得到考虑EPS颗粒变形影响的饱和填料一维冻结水热耦合控制方程,进而预测填料的冻胀量。与室内模型试验结果对比表明,本文模型可用于该种具有弹性颗粒复合填料的冻胀量模拟,为工程中冻胀量预测提供依据。     

基于岩土纵向分层的中深层U型地埋管换热器取热性能研究

为探讨不同地质结构分层下不同影响因素对中深层U型地埋管换热器传热性能的影响,建立了基于岩土纵向分层的中深层U型地埋管换热器的数值传热模型,利用MATLAB软件,采用交替方向隐式法模拟了循环流量、入口温度、水平管长度、保温材料导热系数、回填材料导热系数对U型地埋管换热器传热性能的影响．结果表明：(1)当循环工质流量从10 m³/h增加到30 m³/h,取热量逐步提高,但提高入口温度会导致取热性能下降．为使热泵机组、地热换热器高效运行,需要综合考虑循环流量的选择以及根据实际工况调试出合理的入口温度;(2)增加水平管长度对于提升埋管换热器性能明显．在经济成本以及技术允许的情况下可适当增加水平管长度;(3)在上行管出口部分设置保温层后,取热量增加,但随着导热系数的降低,取热量增幅逐渐减小,因此采用低导热系数保温材料可以减轻逆向传热现象;(4)其他参数不变时,提高回填材料导热系数可以明显提高换热器出水温度,增大取热量,因此可以采用导热系数较高的回填材料来提高换热器取热能力．     

中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能分析

为了探讨不同因素对中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能的影响,采用了一种中深层同轴套管式地埋管换热器数值模型,利用交替方向隐式法和追赶法,并结合邯郸地区现场测试数据,对该模型进行了求解.分析了环腔流体流速、管径比、内管导热系数、回填材料导热系数、岩土导热系数及井孔深度对套管换热器换热量及出口水温的影响规律.结果表明,增加环腔流体流速、减小管径比、减小内管导热系数、增大回填材料及岩土导热系数、增加井孔深度,可提高换热量;减小管径比、减小内管导热系数、增大回填材料及岩土导热系数、增加井孔深度,可提高出口水温.因此,在实际工程中,应选择高热阻的管材作为内管、选择导热系数较大的回填材料、岩土导热系数较大的地区有利于地热能开发、选择管径之比较小的套管、环腔流体流速的大小在允许范围内宜取大、较深井孔宜作为地热开采井,同时要综合考虑换热量、循环水泵功耗、钻井成本和实际负荷需求及热泵机组性能匹配.     

湿热老化后膨胀型钢结构防火涂层导热系数数值计算

通过对已有多孔材料导热系数计算模型的总结和分析,提出了湿热老化后膨胀型钢结构防火涂层导热系数的计算模型。为考察该模型的计算精度,进行了湿热老化试验及隔热性能试验,测量涂层膨胀倍率、炭化层泡孔尺寸和钢板温度等数据。结果显示,湿热老化后炭化层泡孔尺寸增大导致涂层导热系数增大,隔热性能下降,钢板温度上升。利用本文试验测量数据（泡孔尺寸）计算炭化层导热系数,再根据炭化层导热系数的数值计算结果分析钢板温度,并将钢板温度的计算结果与试验结果进行对比,两者吻合良好,验证了膨胀型防火涂层导热系数计算模型的适用性。     

高含水率疏浚淤泥混合固化轻质土试验研究

疏浚淤泥EPS颗粒混合轻质土是一种新型的轻质土工材料,具有密度小、强度高等特点,在工程中具有广泛的应用前景。本文对高含水率的白马湖疏浚淤泥进行了室内轻质土配比试验,系统分析了水泥掺量、EPS颗粒掺量以及养护龄期等因素对轻质土的密度及无侧限抗压强度这两个重要参数的影响规律。研究结果表明,轻质土的密度主要由EPS颗粒掺量控制,而水泥掺量和养护龄期对轻质土的密度影响较小;轻质土的强度受水泥掺量、EPS颗粒掺量和养护龄期的影响,其强度随龄期与水泥掺量的变化规律与一般水泥土一致,而强度与EPS颗粒掺量之间存在一个阈值。     

不同构造EPS模块再生混凝土剪力墙抗剪性能试验研究

进行了3个不同构造EPS模块再生混凝土复合剪力墙试件低周反复荷载抗剪性能试验。试件1为200 mm厚普通再生混凝土剪力墙;试件2为320 mm厚EPS模块外保温再生混凝土剪力墙;试件3为320 mm厚EPS模块夹芯保温再生混凝土剪力墙。各试件剪跨比均为0.8。对比分析了各试件抗剪承载力、刚度及退化过程、延性、滞回性能、耗能能力及破坏特征。研究表明:EPS模块外保温再生混凝土复合墙体与普通再生混凝土剪力墙相比,承载力、刚度、耗能、延性均提高,损伤过程相对缓慢,表明EPS保温模块及其外侧防火保护层对墙体抗震性能有明显贡献;相同截面厚度EPS模块外保温再生混凝土复合墙体试件比EPS模块夹芯保温复合墙体试件承载力略高,但刚度、延性和耗能均略小,两种构造形式复合墙体抗震性能均良好。     

密肋复合墙体非线性数值分析及抗剪承载力研究

结合课题组前期的研究成果,通过对墙体中不同材料的本构模型、墙体中裂缝、多种材料的联结以及墙体边界条件的研究与探讨,运用通用有限元程序ANSYS对密肋复合墙体进行非线性有限元分析;并在试验结果与有限元模拟的基础上,依据极限平衡理论,建立起来复合墙体的斜截面抗剪极限承载力公式。理论分析与试验研究表明:复合墙体非线性有限元模型能够较好地模拟墙体内力和变形发展的全过程,描述裂缝的形成和扩展,对于实际工程和科学研究具有足够的精度;墙体斜截面抗剪承载力公式与实测值吻合较好,具有一定的精度,满足工程设计需要。     

确定厚型防火涂料高温导热系数的实用方法

目前,厚型防火涂料高温导热系数的取值尚不清楚,因而无法准确地对厚型防火涂料保护的结构进行抗火理论分析和设计。针对这一问题,本研究将厚型防火涂料视为主要由粘结基料和隔热骨料所组成的复合物,利用并联和串联2种计算模型,分别建立了厚型防火涂料的高温导热系数计算公式;采用得到的高温导热系数值进行温度场分析,并将计算值与实测值进行对比。结果表明,利用并联模型公式得到的厚型防火涂料高温导热系数取值最为合理。据此,给出了确定厚型防火涂料高温导热系数的实用方法,为解决厚型防火涂料高温导热系数的取值问题提供了一条有效途径。     

有限元方法在地震孕育过程与前兆机理研究中的应用进展

有限元方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、 且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。 有限元方法是目前应用最为广泛的数值模拟方法, 由于能够将复杂介质的力学本构关系及边界条件问题转化成为常规问题的计算程序, 所以越来越多的地震学者将其应用于地震成因与前兆机理研究中。 该文着重介绍了有限元数值分析方法及其模拟在地震孕育过程与前兆机理研究中的应用进展, 并提出开展小尺度规模如岩石中矿物颗粒之间的力学行为的有限元模拟研究等几点建议。     

基于等效线性化隔震结构设计周期折减系数研究

《建筑隔震设计标准》提出的隔震设计是基于复振型分解反应谱等效线性化的一体化直接设计方法,但未提及隔震结构周期折减系数如何取值。基于此,根据刚度串联关系推导等效单自由度隔震体系周期折减系数简化计算公式,探讨隔震结构周期折减系数因素的影响规律,建立不同填充材料、不同填充率的有限元数值模型,并利用数值模拟结果验证隔震结构周期折减系数简化计算公式。结果表明:隔震结构周期折减系数与名义周期比、非隔震结构周期折减系数存在函数关系;墙体开洞与通高墙体的隔震结构的周期折减系数均随着填充率的增大而减小,当填充率相同时,呈现出随填充材料弹性模量增大而减小的趋势,墙体开洞会增大隔震结构周期折减系数,且隔震结构的周期折减系数的取值范围相对较窄,为0.915~0.965;数值有限元模拟与理论结果偏差小于3%,吻合度高,以验证隔震结构周期折减系数简化计算公式的正确性,说明该简化计算方法对隔震工程设计具有一定指导意义。     

考虑火灾全过程的钢管混凝土组合框架力学性能初步研究

为进一步研究真实火灾工况下钢管混凝土组合框架的抗火性能,基于有限元软件ABAQUS建立了单层单跨圆形钢管混凝土柱-组合梁平面框架经历火灾全过程的数值分析模型。通过合理选取热工参数,进行了组合框架在ISO-834标准升降温曲线下的热传分析,研究了组合框架钢管混凝土柱与组合梁截面温度场的变化规律;在热传模型的基础上,通过合理选取材料本构模型、单元类型、边界条件以及网格划分等,对经历常温加载、升温、降温以及火灾后的钢管混凝土柱-组合梁平面框架的力学性能进行初步探讨。结果表明,由于钢筋混凝土楼板在受火过程中的吸热与约束作用使组合框架在受火后仍具有较高承栽力。该方法可进一步完善钢管混凝土结构抗火分析理论,也可供实际工程应用参考。     

表面设置防火涂料高强混凝土柱的耐火极限

前期试验表明,表面设置厚度20 mm的某非膨胀型防火涂料可较好地抑制高强混凝土的高温爆裂。本文通过试验反算给出了该涂料对应不同温度区间的平均导温系数;随后,利用结构抗火分析软件SAFIR对表面设置该涂料的高强混凝土柱的耐火极限进行了计算分析,考察了截面尺寸、轴压比、荷栽偏心率及配筋率等因素的影响,在此基础上提出了相应的高强混凝土柱耐火极限实用计算公式。研究结果表明：①该涂料的平均导温系数随温度升高有所降低;②表面设置厚度20 mm的该涂料可明显提高高强混凝土柱的耐火极限,提高幅度达40%～350%。     

中国大陆科学钻探靶区深部温度预测

依据中国大陆科学钻探(CCSD)两口先导孔中地热测量和岩石样品热物性参数,对5000m深钻的可能钻遇温度进行了预测.先导孔中地温梯度介于1-26℃/km;岩石热导率变化为2.64-8.81W/(m@K),平均(3.4±1.26)W/(m@K);实测热流值为76-80mW/m2;30块岩石样品放射性生热率变化为(0.0-2.17)μW/m3,450m深度以上层平均(0.76±0.5)μW/m3,以下层段平均(0.48±0.2)μW/m3,生热率随深度递减,但变化趋势难以明确判定.分别对热流和热导率取上、下限,采用不同的生热率随深度的分布函数,区分考虑或不考虑热导率的温度相关性,分别计算出5000m深度内可能的温度分布剖面.计算结果表明,超深井于5000m垂直深度上的温度将达到110-140℃,2000m深度的探井钻遇温度将介于54-64℃.此外,考虑热导率的温度效应后预测的温度一般高于未考虑热导率温度效应5-8℃.     

基于OpenSees平台的钢管混凝土结构力学性能数值模拟

基于非线性纤维梁-柱单元理论,以OpenSees为求解平台分别进行了钢管混凝土结构滞回曲线计算和弹塑性动力时程分析等数值模拟,计算结果与试验吻合良好。钢管内核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力—应变关系,钢材采用随动强化本构模型。在传统纤维模型法的基础上,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力的方法建立了考虑非线性剪切效应的剪力墙结构数值模型,结果表明该模型能较好地模拟组合剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应以及刚度退化等力学性能。对输入不同地震波下钢管混凝土框架体系的动力时程分析表明,基于OpenSees求解平台的非线性纤维模型法能够较好地模拟钢管混凝土框架结构的非线性动力特性。     

Performance Enhancement of Solar Latent Heat Thermal Storage System with Particle Dispersion — an Exergy Approach

Phase change material (PCM) employed latent heat thermal storage (LHTS) system has been showing good potential over the years for energy management, particularly in solar energy systems. However, enhancement in thermal conductivity of PCMs is emphasized as PCMs are known for their poor thermal conductivity. In this work, the thermal performance of a shell and tube LHTS module containing PCM‐metal particles composite is investigated while charging and is compared with that of pure PCM system. The effect of particle dispersion on latent heat capacity of pure PCM is also analyzed. Enthalpy based governing equations are solved numerically adopting FLUENT code. Exergy based performance evaluation is taken as a main aspect. The numerical results are presented for various operating conditions of heat transfer fluid (HTF) and indicate considerable performance improvement of the system when particles are dispersed.     

沉积盆地岩浆侵入的热模拟

沉积盆地中岩浆的侵入会导致盆地地温史的变化，影响烃类成熟度，本文对沉积盆地中岩浆侵入过程进行了热模拟，分析了岩浆侵入对沉积盆地温度结构和成油窗的影响，在计算中，既考虑了岩浆凝固过程释放的潜热，又考虑了岩石比热，热导率随温度的变化对热模拟结果的影响，通过计算认识到：沉积盆地中侵入岩浆在垂直方向上的热扩散比水平方向热扩散更快，几公里大小的侵入体其热影响可以在时间上持续数百万年，在空间上扩散至十数公里，     

建筑用玻化微珠保温混凝土剪力墙抗震结构设计

传统方法主要通过导热系数低的材料和增加墙体厚度来达到抗震效果。该方法不仅浪费能源而且抗震性能较差,因此对建筑用玻化微珠保温混凝土剪力墙抗震结构进行设计,构建玻化微珠保温混凝土本构模型,获得与抗震结构相关的理论数据。根据所获取的数据,选择板壳单元SHELL63作为玻化微珠保温混凝土剪力墙抗震结构单元。依据抗震结构材料参数以及抗震结构单元,采用ANSYS软件模拟构建玻化微珠保温混凝土剪力墙抗震结构。分析实验结果可知,所设计建筑节能抗震结构的抗震性能较好,实际运用价值高。     

地幔热导率的选取对动力学数值模拟的影响——以岩石圈张裂过程为例

目前存在有多种地幔热导率模型,不同模型在数值和随温压变化的特征上有明显的差异.为探究不同热导率模型对动力学数值模拟结果的影响,本文对不同模型下的岩石圈张裂过程进行模拟研究,探讨地幔热导率对岩石圈热传输、变形和熔融过程的影响及其作用机理.结果显示,不同热导率模型下,岩石圈的变形和熔融特征表现出明显差异.高热导率模型下,岩石圈破裂较晚,形成陆缘较为宽阔,地壳熔融强烈而地幔熔融较弱;低热导率模型下,岩石圈破裂较早,形成陆缘较为狭窄,地幔熔融强烈而地壳熔融较弱.这种差异源于不同地幔热导率下岩石圈和地幔热状态的变化及相应力学性质的改变.高热导率下,热传导的增温效应显著,岩石圈呈现较热的状态,其强度整体较低,壳幔耦合减弱;而低热导率下,热对流的增温效应显著,岩石圈呈较冷的状态,其强度整体较高,壳幔耦合增强.基于模拟结果,本文认为地幔热导率的选取对动力学模拟的结果有着较为显著的影响,相对于随温压的变化,热导率数值的差异对动力学数值模拟的结果影响更大,尤其是对于地幔熔融过程的影响.     

Temperature dependence of thermal conductivity and its impact on assessments of heat flux

The variability of sedimentary thermal conductivities with increasing temperature are explored for their impact on estimates of present-day heat flux and subsurface temperature gradient. For sand thicknesses less than about 10–20 km, or shale thicknesses less than about 40–80 km, the subsurface temperature is closely linearly proportional to the thermal resistance integral obtained in the absence of the temperature dependence of thermal conductivity. Estimates of heat flux should be increased (decreased) by about 5% for sands and decreased by about 1% for shales. For salt, because of the much shorter temperature range over which its thermal conductivity decreases, effects produced by the temperature dependence are more noticeable: heat flux should be increased by around 13%, salt thicknesses in excess of 5 km will yield major (around 30–100°C) changes in their temperature regimes solely as a consequence of the temperature-dependent thermal conductivity, and the linear increase of temperature with increasing thermal resistance is not an adequate approximation but has to be replaced with a more exact exponential increase.The impact of the variations, particularly in the case of salt, for geologic processes is briefly considered.