混凝土坝水管尺度级别温度场模拟研究

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1、混凝土坝水管尺度级别温度场模拟研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：左正指导教师：段云岭教授二○一五年十一月ResearchonCalculationMethodofTemperatureFieldofConcreteDamsontheScaleLevelofCoolingPipesDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilo

2、sophyInHydraulicEngineeringByZuoZhengDissertationSupervisor:ProfessorDuanYunlingNov,2015摘要混凝土坝，尤其是混凝土拱坝的温度控制问题是其施工期的核心关注点。冷却水管作为最为常见的温度控制措施，将在混凝土内部产生较为复杂的温度场分布情况，一种适用于这种精细化温度场的计算方法将为实现智能化温度控制提供良好的理论基础与技术支撑。但现有研究仍难以达到在不特殊建立水管单元、不加密有限元网格的基础上，实现对水管附近真实温度场的正确计算。论文以此目标为研究导

3、向，开展了系统性的研究工作，提出了含水管细尺度温度场的计算方法，并最终建立了一套完整的、快速的、正确的、可用于工程级别的大体积混凝土仿真分析平台。本文的主要内容包括：（1）提出了含冷却水管的混凝土不连续温度场的求解方法。通过对理论推导给出的非线性解空间的捕捉，构造了适应于该问题的扩充形函数；针对单元内部含有第一类边界条件的情况给出了点源式第三类边界条件的转化方法；并对含水管问题的求解域简化、单元内含有不连续场的积分方案以及时间域的积分方法等方面进行了详细的研究与讨论。（2）提出了无网格依赖性的水管空间离散建模与三维求解方法。基于计

4、算几何提出了三维富集单元的快速搜索判识算法，实现了在不考虑水管信息的有限元网格中自动得到水管在混凝土中位置的目的；给出了包括单管斜穿单元、管铺设在单元底面、多管穿越单元等多种复杂空间位置关系下的积分方案与边界条件修正算法；结合水冷函数算法与管壁换热递推算法给出了沿程水温的计算方法。（3）综合粗、细尺度计算方法与智能化前、后处理方法，建立了大体积混凝土温度场仿真平台。基于等效冷却效果的思想，利用麦克劳林级数展开推导了多层水管的等效导温系数，实现了利用同一套粗网格对不同水管铺设方案下大体积混凝土温度场的求解；基于计算几何给出了混凝土坝

5、复杂、动态变化的温度边界条件智能化探测算法；建立了大规模工程有限元自动化后处理平台，解决了人工后处理的困难；基于第5代HTML标准提出了易于信息传播、便于多方共享的有限元成果互联网共享方法。关键词：水工结构；大体积混凝土；温度场；冷却水管；单位分解；计算几何；IAbstractTemperaturecontrolisthekeyconcernduringtheconstructionphaseofconcretedams,especiallyarchdams.Thefinetemperaturefieldisthebasisofi

6、ntelligenttemperaturecontrol,butexistingresearchescannotachievethecalculationoftherealtemperaturefieldnearcoolingpipeswithoutspecially-modelledpipeelementsorrefinedfiniteelementmeshes.Thispaperistomakesystematicstudiestofillthisgap,andtoproposeacomplete,fast,correctan

7、dengineering-objectivesimulationplatformofmassconcrete.Themaincontentsandinnovativepointsarelistedasfollows.(1)Basedonthetheoryofpartitionofunity,thesolutionmethodofdiscontinuousconcretetemperaturefieldcontainingcoolingpipesisproposed.Theenrichmentshapefunctionisbuilt

8、uponthecaptureofnonlinearsolutionspacebyanalyticalsolutions.ThetransformationmethodoftheDirichletboundaryconditionisgiven,an