英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
DEM分析沥青混合物温度场的可行性
Kai Huang a, Tao Xu a,uArr;, Guofen Li a, Ruilin Jiang b，a School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, 159, Longpan Road, Nanjing 210037, Jiangsu, China b Jiangsu Modern Highway amp; Bridge Co. Ltd., 2, Xianlin Avenue, Nanjing 210046, Jiangsu, China
重点
·考虑到沥青混合料细观结构的不连续性，重建数字样本。
·考虑到接触热阻，建立了分立元件模型。
·实验结果验证了DEM模型的数值模拟结果。
·提出了一种更好的加热方案来提高沥青混合料的整体温度。
文章信息
文章历史：
收自于2015年10月17日
修订于2015年12月14日
接受于2015年12月28日
在线提供于2016年1月2日
关键字
沥青混合物
离散元素
温度场
热传导
车辙板
摘要
为探讨离散元法（DEM）分析沥青混合料温度场的可行性，基于沥青混合料的配合设计，重建了车辙板数字化样本。同时，考虑接触热阻，基于离散元热传导方程及其离散建立了离散元热分析模型。利用DEM模型对数字试件的温度场分布进行了讨论，并与实际车辙板上的试验结果进行了对比。结果表明，基于数字图像处理的数字样本充分考虑了沥青混合料细观结构的不连续性。再次出现沥青混合料试件的内部结构，并在试件表面施加热通量后建立瞬态热传导离散元模型。此外，在连续加热过程中，离散元模型中上部的热响应比下部的热响应要快。数字样品的体温在加热结束后继续上升。 同样，在连续和间歇加热方案下，上部的测量温度高于车辙板下部的测量温度。但是，在间歇加热方式下，表面温度较低，减少沥青老化并提高试样的整体温度和均匀性。得出的结论是，使用DEM的数值模拟结果与实验结果基本一致。 DEM可能成为研究沥青混合料温度场分布和其他性质的新方法。
-2015 Elsevier Ltd.保留所有权利
- 绪论
沥青混合料是一种重要的铺路材料，其性能与温度，内部细观结构密切相关[1]。有必要了解沥青混合料或沥青路面的温度场，因为它们的性能对温度敏感。随着计算机技术的进步和计算方法的发展，数值模拟已变得越来越重要[2]。目前，沥青混合料温度场的数值模拟方法主要包括有限元法（FEM）和离散元法（DEM）[3]。
有限元法的一个主要缺点是基于连续统的方法不能在宏观导向计算中包含随机分布的微观效应[4]。有限元难以考虑沥青混合料中介质结构的非连续性。另一方面，DEM是可以考虑这些影响的一种方法。 不仅在机械领域，而且在使用DEM的热场中都可以进行基于连续体的计算。 因此，DEM成为分析沥青混合料不同性能的重要手段之一。
Zhang等人 [5]使用DEM研究了颗粒材料的有效热导率与力学性能之间的关系。Tsory等人 [6]通过DEM和流体力学报告了颗粒材料对传热的粗糙度影响。Gui et al。 [7]基于DEM分析了混合状态下颗粒物质的热传导和转鼓颗粒间的传热。
周等人 [8]提出利用均匀化技术研究颗粒材料的各向异性导热系数，并通过基于DEM的数值模拟验证该方法的有效性。刘等人。 [9]使用DEM进一步研究了沥青混合料的粘弹性模型，并详细解释了沥青砂浆与粗骨料的接触模型。
另外，还建立了一个模型来讨论颗粒之间的热传导和传热，并且Shimizu [10]通过DEM分析了颗粒的温度场。根据DEM讨论氧化铝颗粒的温度场变化，由Nohut [11]计算热膨胀引起的残余应力。Pennec et al。 [12]使用DEM和FEM两种方法研究了生物质颗粒材料的导热系数，并将数值模拟结果与实验结果进行了比较，以验证数值方法的可靠性。
最近，Van Lew等人 [13]在DEM的基础上讨论了锂陶瓷球体中卵石失效的热效应。哈恩等人 [4]证明了DEM分析颗粒材料温度场的可靠性，并指出了确定材料参数的方法。Dondi等人 [14]通过DEM的方法讨论了骨料形状和角度对沥青混合料性能的影响，以改善沥青混合料的性能。
陈等人[15]使用DEM评估了沥青混合料骨架结构的总体特征及其在高温下的抗变形能力。 采用DEM方法研究了沥青混合料的粘弹性行为，并通过冯等人实施的Burger接触模型获取了沥青混合料的动力特性。[16]。刘等人 [17]发现沥青混合料离散元模型的单元尺寸对计算时间步长，计算时间和力学性能有明显影响。 显然，DEM在沥青混合料性能研究中起着越来越重要的作用，并逐渐成为数值模拟的重要手段之一[18]。
然而，目前的DEM主要是通过模拟疲劳试验，单轴压缩试验和车辙试验来分析沥青混合料在恒温条件下的级配组成，宏观变形和力学性能。 为了验证用于分析沥青混合料温度场的DEM的可行性和可靠性，进行了很少的实验。 另外，目前的DEM通常通过时间温度等效原理间接考虑温度对沥青混合料性能的影响，导致与实际情况有偏差。 边界热通量很少直接应用于模型分析沥青混合料的性能[19]。
本研究基于数字图像处理技术和DEM技术，根据车辙板的横断面图像重建数字标本，充分考虑了沥青混合料细观结构的不连续性。 考虑接触热阻，建立了沥青混合料试件温度场分布的离散元分析模型。然后利用DEM模型对数字样本的温度场分布进行了讨论，以模拟沥青路面热位回收的加热过程。 进一步将数值模拟结果与在相同加热模式和边界条件下的车辙板实验结果进行了比较， 这可能会开发出一种新的有前途的方法来研究沥青混合料的温度场分布和各种性能。
- 热传导方程及其离散化
PFC 2D中的热模块可以用来模拟瞬态热传导问题，其中粒子被视为热存储器，并且粒子之间的接触形成热管[20]。每个颗粒在热传导过程中都被视为热记忆，但只有当颗粒相互接触或形成连接时，热管才会激活。 热量传递到激活的热管[20]。
在这项研究中，假定沥青混合料是热各向同性材料，并在模拟过程中离散成有限的储热库和热管。 对于连续介质，温度变化不是由应变变化引起的。热传导方程可以描述为
其中qi是热通量，qv是单位体积的热功率密度，q是密度，Cv是比热容，T是温度，t是时间。
根据傅里叶变换，可以得到连续介质的热流密度与温度梯度之间的关系。
其中kij是导热系数张量。
对于离散介质，假定离散介质的体积为V，单位体积的热通量由qi的散度表示。 基于方程的变换。 （1）中，蓄热体积V上的气的平均发散度如下。
然后等式 （3）通过高斯差分转换成该区域的积分。
ni是外表面的单位法向量，S是表面积。
假设离散介质中的热量仅通过N个热管传递， （4）可以写成
其中下标p是与热管相关联的变量，并且Q（p）是从热量存储器流经热管的功率。这里，
用方程 （4）和（5）代入方程 （3）和（6）。
用方程 （6）代入方程 （1）可以得到离散介质的热传导方程。
其中QV（= V·qv）是离散介质的热流强度，m是离散介质的质量。
假设单根热管被认为是单位长度内具有热阻g的一维单元，则每根热管的功率为
△T是热管两端的温差，l是热管的长度。
此外，本研究还讨论了热管热阻与材料热导率之间的关系。 在离散元件中，体积V内的平均热通量为
同时，由于假设热量仅在热管中流动，因此等式 （9）可以写成
其中A（p）是p型热管的有效截面积，l（p）是p型热管的长度。
热管中的热通量定义为
用方程 （8）代入方程 （11） - （13）。
其中nj是热管的单位法向量。
用方程 （12）和（13）代入方程 （10）和（14）。
比较方程 （14）和（12），可以得到离散单元系统中的导热系数张量。
因此，当单个热管的长度，单位法向量和总热管的数量已知时，可以计算离散介质的导热率。
- 数字样本的重建和温度分析
3.1沥青混合料数字化样本的重建
针对沥青混合料试件中骨料颗粒分布不规则的现象，根据实际车辙板的配合设计，重新出现沥青混合料的内部细观结构。使用SMA-13沥青混合料制备车辙板，其最终的组合级配如图1所示，沥青含量为5.7％。 SBS改性沥青，骨料，填料，稳定剂等原料的技术指标符合中国技术规范的有关要求[21]。 根据中国使用的标准和方法制备热沥青混合料和车辙板[22]。
随后，基于数字图像处理[23]产生车辙板横截面（300-50mm）的二元全息图。 提取二进制数字图像轮廓以再现沥青混合料样本中的聚集颗粒分布（参见图2（a））。 然后将二值轮廓引入到PFC 2D中，使用半径为1 mm的圆形颗粒生成离散元素初始样本，如图2（b）所示[24]。
其次，考虑到高强度沥青混合料中的骨料颗粒不容易开裂，采用圆形单元组合体来代表PFC2D中嵌入Fish程序的Clump功能产生的不规则粗骨料。 此外，在数字样本生成过程中，骨料颗粒是随机排列的。
最后，沥青混合料的数字样本被离散化，如图2（c）[25]所示，作为中间级集料，沥青砂浆和空隙。 在本研究中，粒径大于2.36 mm的骨料颗粒被定义为粗骨料。颗粒尺寸小于2.36 mm的骨料颗粒，填料和沥青粘合剂被认为是沥青砂浆[18]。
3.2离散元素模型
由于加热引起的沥青混合料的温度变化是瞬态热传导。 沥青混合料试件在垂直方向的温度变化远大于水平方向的温度变化，从而忽略了水平方向的热传导。 另外，假设DEM模型的两侧可以看作是如图3所示的绝热边界，忽略了热对流和热辐射的影响。
另外，上表面被认为是边界热源，以模拟沥青路面热就地再循环的加热过程，并假设热传导仅在热管中传递。 因此，考虑到接触热阻，基于离散元热传导方程及其离散化和沥青混合料的数字样本建立了离散元热分析模型（见图3）。 在DEM模型中，测得的热导率和比热容分别为2.057 W / m°C和1168.0 J / kg°C。
图1. SMA-13的最终组合聚合等级。
图2. （a）沥青混合料样本中骨料颗粒的二元轮廓，（b）离散元素初始值
试样和（c）沥青混合料的离散元数字标本）。
图3沥青混合料试件温度场的离散元模型
3.3数值结果和讨论
在离散元模型的表面上施加约170℃的恒定热通量，以模拟沥青路面热位再循环的加热效应。 加热时间为180秒，然后去除热通量，但DEM程序继续运行180秒以记录加热停止后的温度。 如图4所示，分别记录试样表面以下不同深度处的温度变化。
从图4中可以看出，试样表面下1cm到2cm深度处的试样的热响应快于试样下部的热响应。 试样加热180s后，试样表面下1cm和2cm处的温度分别为30℃和25℃。 而且，下部温度缓慢上升。 样品表面下3cm和4cm处的温度分别为18.6℃和16.1℃。
这是因为在样本模型中上部更靠近热源并具有比下部更高的温度梯度。 此外，沥青混合料的导热系数较低，导热较慢，导致试件模型下部温升受到限制。加热过程中的温度场分布和热传导如图5所示。 观察到热量从样品模型的上部传递到下部，并且温度逐渐降低，如图5中放大的子图所示。其原因是，如图6所示，当样本模型中的热量从上部传递到下部时，如放大的子图所示，热通量由于热阻而逐渐减小。 这与温度分布一致（见图5）。
另一方面，当热源在加热180秒后被移除时，热量继续从样本模型的上部转移到下部。 这导致模型持续升温。 在实验结束时，试样表面下1cm和2cm处的温度分别为52℃和43℃。 它们的增加幅度分别是22℃和21℃。 然而，样本模型的下部仍然表现出较小的温度增加。 3cm和4cm深度的温度分别为31℃和21℃，其增幅分别为12℃和5℃。
因此，似乎采用沥青混合料的连续加热方法，样本模型上部的加热效果是可以接受的。 但样本模型下部温度升高不明显。 因此提出了间歇加热方法，以便热量有足够的时间完全转移到样品内部，导致样品模型体积温度的增加。
图4.样品表面下不同深度的温度变化。
图5.样品模型的温度场分布和热传导。
图6.样品模型中从上部到下部的热传导示意图。
- 沥青混合料试件的加热实验
为验证DEM分析沥青混合料温度场的可行性，采用与DEM模型相同边界条件下的加热模拟实验，测量了车辙板不同深度处的温度场分布。
4.1标本准备
按照3.1节上述说明制备车辙板后，车辙板模具的底部和四面用白纸粘贴。 在侧纸上以10mm的间隔标记每层沥青混合料铺层的深度符号。
将各层热沥青混合料在车辙板模具中快速铺筑并压实后，将两个温度传感器固定在沥青混合料层表面中
全文共11674字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[12839]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
