随机多孔材料模型在大坝保温方案分析中的应用

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1、2011年7月第7期城市道桥与防洪成果应用267随机多孔材料模型在大坝保温方案分析中的应用陈婕(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)摘要：该文阐述了采用有限元方法模拟多孔材料模型的导热系数与孔隙率之间的非线性关系。有限元模型中的固体物质和孔隙根据孔隙率的大小及孔隙分布随机生成，模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟考虑传导和辐射条件下的断面的热流密度分布，计算在不同孔隙率条件下的等效导热系数。研究表明，多孔材料模型等效导热系数随着孔隙的增加而线性

2、减小。结合某大坝保温方案的选择案例对分析结果予以验证。关键词：多孔材料；随机模型；等效导热系数；有限元方法；保温方案中圈分类号：TV642、TV41文献标识码：A文章编号：1009—7716(2011)07—0267—04态分布的泡沫材料有限元模型，进行温度场模拟，0引言研究不同孔径分布对温度场的影响，进而选择合大体积混凝土所产生的裂缝，绝大多数都是表适的保温材料。面裂缝，其中一部分会发展成为深层或贯穿性裂2多孔介质温度场三维有限元分析缝，影响结构的整体性和耐久性。引起表面裂缝的原因主要是干缩和温度应力。对于

3、混凝土干缩应对于复杂多孔材料模型，由于各种孔隙的随力，在浇筑早期，可以通过表面洒水养护加以改善；机分布，使得几何模型十分复杂，因此较难进行网而对于温度应力，由于外界气温变化和混凝土内外格划分，直接划分网格只能采用自由网格划分，这温度差的加大，是引起表面拉应力的主要因素，如就特别容易产生尖锐或边长比很大的不良单元，寒潮和寒冷地区的气温年变化。所以如果采用合适影响计算。为了使随机模型的生成成功率较高，采和有效的保温保湿措施，再配之以正确的结构设取了先对立方体整体划分网格，并采用solid70热计，将会在很大程度上

4、减少混凝土裂缝的发生，从分析单元进行网格划分，然后通过球坐标及定义而提高大坝的质量，为水库安全运行打下一个良好的正态分布数组选取球体单元，并对其赋予孔隙的基础。现在国内常用的较为适合用于坝体大面积材料属性。该种方法可以保证生成可分析的网格保温的材料，即聚苯乙烯板、珍珠岩发泡保温涂料质量完好的随机有限元模型(见图1)。和发泡聚氨酯。针对大坝所在的环境和施工特点需要选择适合的保温材料和施工方法。本文采用有限元数值模拟方法，随机模拟多孔保温材料的孔隙结构，分析保温材料等效导热系数与孔隙率的关系，并结合实际工程对分析

5、结果予以验证。■1常用保温材料图1多孔材料有限元模型聚苯乙烯板、珍珠岩发泡保温涂料和发泡聚氨酯均属于泡沫材料。泡沫材料由大量泡孑L构成，多孔介质中的传热机制非常复杂，它不仅涉结构呈三维网络。是由基质和气体构成的二相体及到固相与液相的热传导，又涉及到它们间的对系，基质是连续相，气体区域为分散相．泡沫材料流热交换，而且在温度较高的场合，还不能忽视多的泡孔结构基本参数是孔径及其分布、泡壁厚、泡孔结构中热辐射的作用。因此，实际应用中的传热孔形状等。根据分维测量及大量保温材料的检测过程是各种机制综合作用的结果。多孔介质

6、所表数据，可得泡孔孔径与泡孔数量相关呈近似正态现出来的综合传热的表观效果通常用等效导热系分布。本文基于ANSYS有限元模拟软件和APDL数来描述。多孔材料中包含大量的孔隙，孔隙的大参数化语言，采用数值模拟方法，建立孔径服从正小和分布直接影响到材料的导热系数，对于三维稳态热传导问题，其偏微分控制方程为：收稿日期：2011-05—04作者简介：陈婕(1981一)，女，硕士生，工程师，从事软件技术支J】L婴+入罢入：0(1)持工作。268成果应用城市道桥与防洪2011年7月第7期式中：X、Y、z分别为X、Y和z方向

7、的表1材料属性一览表孔隙个数导热系数，W／(m·℃)；T为多孔材料的温度。边界76543210固体颗粒孔隙条件是材料表面与周围介质相互作用的规律。辐射率0．9辐射率一对于第1类边界条件，多孑L材料表面温度为热传导率热传导率已知函数：温度／~C1／W·mK-温度，℃)L2／W·mK(f)，(x，Y，z∈)(2)对于第2类边界条件：入OT／3n=q，(X，Y，z∈22)(3)式中：TB为第1类边界上的已知温度；q为第2类边界n上已知热流量；11为外法线方向；人为材料的导热系数。以某三维模型为例进行讨论，有限元模型

8、的上下表面边界为第1类边界条件，Tup=273K，Tdown=373K，前后和左右为绝热边界。有限元模型的长、宽、高分别为5um，单元尺寸为0．6um，如图2所示。孔隙直径满足正态分布，如图3所示。■图4热通量分布图图2孔隙率为80％的有限元模型■■■■■-1．92．83．2353．8．孑L隙直径／mm图5温度分布图图3孔隙直径分布图图2为孔隙率为80％的有限元模型，其中浅(或多对节点)间辐射；色的