基于流固耦合的透水路面空隙堵塞細觀機理研究

1、 山東大學大學生科技創(chuàng)新基金項目申請書 學 院： 土建與水利學院 項目名稱： 基于流固耦合的透水路面孔隙堵塞細觀機理研究 申請負責人： 王復生 指導教師： 張炯 山東大學本科生院制 2014 年 4 月 25 日填 寫 說 明一、申報書須逐項認真填寫，填寫內(nèi)容必須實事求是，表達明確嚴謹?？杖表椧睢盁o”。二、項目由全日制本科生提出申請，原則上以一至三年級學生為主。申請者要品學兼優(yōu)、學有余力，有較強的獨立思考能力和創(chuàng)新意識，對科學研究、科技活動或社會實踐有濃厚的興趣；參與學生要自主設(shè)計實驗、自主完成實驗、自主管理實驗；注重創(chuàng)新訓練項目實施過程，強調(diào)項目實施過程中學生在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐方面的收獲

2、。三、申請者可以是個人或團隊，團隊總?cè)藬?shù)不得超過5人。四、申請書中第一次出現(xiàn)外文名詞時，要寫清全稱和縮寫，再出現(xiàn)同一詞時可以使用縮寫。五、表格中的字體小四號仿宋體，1.5倍行距；需簽字部分由相關(guān)人員以黑色鋼筆或水筆簽名。均用A4 紙打印，于左側(cè)裝訂成冊。項目名稱基于流固耦合的透水路面空隙堵塞細觀機理研究起止時間2014 年 5 月至 2015 年 5 月負責人姓名年級所在院系、專業(yè)聯(lián)系電話E-mail王復生2013級土建與水利學院水利水電工程15953157392411574476項目組成員粟一帆2013級土建與水利學院水利水電工bc296653041陳仁圣2013級

3、土建與水利學院水利水電工程15953166836904984496陳東平2013級土建與水利學院水利水電工程15953170796861046721商慧2011級土建與水利學院城市地下空間18253161586774681236導 師姓名張炯職務(wù)/職稱水利水電工程系副主任電-mailjiongzhang一、 申請理由（包括自身具備的知識條件：自己的特長、興趣等）近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國城市化進程有了顯著提高，而城市化的一個重要表現(xiàn)就是不透水面分布比率的上升。隨著城區(qū)不透水面積的增加，引發(fā)了一系列城市生態(tài)環(huán)境的改變，其中最為嚴重的就是降雨產(chǎn)流量增大，徑流系數(shù)明顯

4、偏大，降雨產(chǎn)生的地面徑流由于無法滲入地下而形成市區(qū)內(nèi)澇積水災害，比如2012 年發(fā)生在北京的7.21暴雨引發(fā)的澇災造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。大雨大澇，小雨小淹，排水不暢已經(jīng)成了城市的頑疾，這給城市建設(shè)者們敲響了警鐘。因此，如何能使降雨不產(chǎn)生或盡量少產(chǎn)生地表徑流成為國內(nèi)外城市（尤其是大都市）建設(shè)過程中十分關(guān)注的問題。試圖將雨水全部匯入下水管道排入河道的做法不僅花費巨大而且不符合可持續(xù)發(fā)展觀；使雨水入滲土壤、補充地下水資源或者加以儲存利用已成為目前國際上推崇的主流思路。透水混凝土是一種高滲透性路面材料，有著很好的透水性和通氣性。它作為一種環(huán)境友好型道路鋪裝材料在城市道路中得到了廣泛應用。利用透

5、水性混凝土的滲透性來排除多降雨地區(qū)的積水始于20世紀70 年代2，研究表明，透水性混凝土路面的高孔隙結(jié)構(gòu)能讓雨水有效滲入地下，減少城市地表徑流，此外，貫通性孔隙具有吸音、降噪的功能。透水路面還具有良好的生態(tài)功能，可以使入滲的雨水水質(zhì)得到凈化，并可調(diào)節(jié)地表溫濕度，有效減緩城市熱島效應。在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，近幾年我國透水路面工程研究應用迅速發(fā)展，這將對解決大都市的市內(nèi)排水不暢問題起到巨大的作用。透水路面與普通路面最大的差異就在于透水性，而影響路面透水性的主要因素就是孔隙率。研究表明3，孔隙率大于8%才能保證路面透水的有效性。然而在透水路面建成后，由于礦物或有機的細顆粒會隨著水流不斷進入孔隙，孔

6、隙會因堵塞而導致滲透性能不斷降低，從而難以發(fā)揮透水性路面的功能，使其演變成非透水路面，造成經(jīng)濟上的浪費。由于國際上對透水性混凝土透水性能的研究剛剛起步，而在防止透水性路面堵塞方面的研究較少，且主要偏重于現(xiàn)象上的實驗分析，或僅在二維層面上進行研究。因此，本項目擬借助試驗和三維數(shù)值計算等手段研究透水混凝土滲透性演變及堵塞的細觀力學機理，建立能反映透水性路面堵塞的數(shù)值模型，為透水性路面設(shè)計施工方案和參數(shù)的選取、養(yǎng)護維修措施的制定提供科學有效的依據(jù)，推動透水混凝土路面病害學領(lǐng)域的研究和發(fā)展，為透水性路面大規(guī)模推廣提供有力保障，從而為因城市化造成的不透水面積不斷擴大，及由此引發(fā)的嚴重的城市洪澇問題提供一

7、條有效的解決途徑。申請人來自水利水電工程專業(yè)，我們的專業(yè)知識是本基金項目的實施的基礎(chǔ)，另外本項目成員之間能很好的交流合作，大家在學習的過程中都很善于思考和鉆研，并且我們都具有吃苦耐勞的品質(zhì)，保證本項目的順利實施。二、 項目方案2.1研究內(nèi)容1）透水混凝土孔隙結(jié)構(gòu)三維建模方法研究通過CT對試件進行透視掃描以獲取不同部位的切片圖像，并利用一系列程序?qū)⒍SCT圖像進行重構(gòu)形成試件三維圖像。根據(jù)試件孔隙率和三維圖像，利用離散元法（DEM）建立三維細觀結(jié)構(gòu)模型，利用與集料粒徑和級配一致的球體復合形成與實際透水路面相近的孔隙分布結(jié)構(gòu)，隨后通過與計算流體力學（CFD）耦合，測試構(gòu)建模型的透水性能。耦合計算中

8、，流體部分由CFD運用含有孔隙率項和附加體力項的Navier-Stockes方程計算，得出每個計算單元內(nèi)的流體速度和壓力，將之傳給DEM，用于計算顆粒的運動情況，并得出孔隙率和附加的體力傳給CFD。在每個計算時步內(nèi)，通過這種雙向耦合，計算出流體和顆粒的相互作用運動情況。通過實驗結(jié)果與計算結(jié)果的比較，驗證該數(shù)值仿真方法的可靠性。2）透水混凝土路面內(nèi)顆粒三維運移規(guī)律與孔隙堵塞機理研究路面附近的顆粒受力是十分復雜的，顆粒在重力、水流推移力、水流上舉力、顆粒間的反力和摩擦力、分子力以及地面滲流的綜合影響下的運動情況，在現(xiàn)有的文獻資料中很少有深入研究。水平方向的地表徑流將攜帶泥沙顆粒在地表遷移，與此同時

9、，透水路面豎直向下的滲流將改變路面附近的徑流流向、紊動強度以及粘性底層的厚度等從而導致部分顆粒由地表向地下運動。顆粒在向下的運動過程中由于有些孔隙孔徑尺寸變小致使部分顆粒不斷聚集便引發(fā)堵塞。本課題為從機理上揭示這一過程中各因素所起的作用，通過室內(nèi)試驗和使用三維計算流體力學-離散元法（CFD-DEM）模型來模擬自由表面徑流攜帶的大量泥沙顆粒在透水路面附近及孔隙內(nèi)復雜的運動現(xiàn)象；研究水流-泥沙相互作用力學特性以及水流下滲對泥沙顆粒運動規(guī)律的影響。統(tǒng)計顆粒在水流作用下在孔隙通道內(nèi)的運動速度以及堵塞于孔隙處的發(fā)生概率；測量得出不同部位的孔隙率隨時間的變化曲線；確定在有水流作用下透水路面集料級配與粒徑、

10、摩擦系數(shù)、集灰比、孔隙率與孔徑尺寸等對透水路面抗堵塞能力的影響；圍繞地表徑流、透水路面孔隙、運動泥沙顆粒三者之間的相互作用開展系統(tǒng)研究，從而提出導致透水路面堵塞的各因素對路面滲透性影響的關(guān)系公式。2.2研究方法本課題基于計算流體力學和離散元耦合理論，三維數(shù)值建模方法，借助室內(nèi)模型試驗，CT透視掃描技術(shù)并結(jié)合理論分析等多種手段開展透水混凝土路面孔隙堵塞發(fā)生條件與發(fā)展過程的研究。基于一系列基礎(chǔ)性研究，揭示透水路面發(fā)生孔隙堵塞的機理，通過對若干關(guān)鍵問題和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對透水混凝土路面的設(shè)計進行優(yōu)化，研究有效可行的施工方法，為透水路面孔隙堵塞預防和修復奠定基礎(chǔ)。2.3實驗方案1）室內(nèi)試驗試驗材料水

11、泥為42.5普通硅酸鹽水泥；粗集料是粒徑為510mm單粒級石灰?guī)r碎石，表觀密度為2665 kg/m3，堆積密度為1655 kg/m3，孔隙率為38%；外加劑為氨基磺酸鹽系高效減水劑，具有高效減水、超塑化、增強等功能，其用量為水泥用量的0.8%。配合比本試驗采用體積法進行配合比設(shè)計：采用單粒級粗集料作為骨架，水泥凈漿薄層包裹在粗集料顆粒的表面，作為集料顆粒之間的膠結(jié)層，形成骨架空隙結(jié)構(gòu)的多孔混凝土材料。配合比設(shè)計需要確定的幾個關(guān)鍵參數(shù)有：集料在緊密堆積下的空隙率，可通過試驗測定；所拌混凝土的目標孔隙率和水灰比，試驗中目標孔隙率取10%、15%、20%和25%；水灰比取0.32、0.34、0.36

12、、0.38和0.4。共對20種配合比進行了研究。試件的制作與養(yǎng)護透水混凝土的拌合采用水泥裹石法：先將集料和15%的水加入攪拌機預拌30s，使集料表面潤濕；再加入水泥拌和，以形成包裹集料表面的水泥粉殼；最后將外加劑和剩余的水混合均勻后倒入，攪拌約120s，待均勻混合后出料裝模。試件有兩種尺寸規(guī)格：f100mm×100mm，用于滲透系數(shù)的測試；100mm×200mm×100mm，用于水槽試驗。成型方法采用振動成型，振動時間為15s。養(yǎng)護方法采用標準養(yǎng)護。試件成型24小時后拆模，將試件置于標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28天。滲透性試驗利用自行研制的滲透儀（圖2），測試透水混凝土滲透

13、性演化曲線，測試方法如下：圖2 透水混凝土滲透測試儀1）將透水混凝土試件兩端分別切去5mm，以消除試件上下表面振搗不均勻產(chǎn)生的影響。2）將試塊放入去離子水中浸泡48小時，保證所有連通的孔隙都能浸透。 3）取出試件，用黃油涂抹側(cè)表面，用橡膠套套封閉包裹試件側(cè)表面，安裝在有機玻璃內(nèi)套筒處。4）根據(jù)路面沙粒級配曲線確定在各粒徑范圍內(nèi)的沙粒組成質(zhì)量百分比。按照不同沙粒平均質(zhì)量濃度，分別配置水沙混合液。5）打開水泵緩慢注水，水流自上而下灌滿整個試件套筒，且產(chǎn)生均勻溢流。使用容器分別保存溢流口和出流口處的水沙混合液。每次溢流過程為200小時，每隔8小時換一次溢流和出流口處的容器，并將試件取出，通過CT對發(fā)

14、生滲透性衰減的試件進行透視掃描，以獲取不同部位堵塞情況的切片圖像，探尋首先發(fā)生堵塞部位具有的特征，以及堵塞形成后，顆粒累積發(fā)展規(guī)律，從細觀層面研究孔隙堵塞的機理。6）將不同時間收集的溢流和出流分別測體積，并將其烘干測顆?？傎|(zhì)量和級配，得到透水混凝土滲透性演化過程，以及沙粒的粒徑分布特征。7）更換其他組試件按照上述步驟進行測量，通過這種方法研究多種因素（如：孔隙-粒徑比、水灰比、孔隙率等）對孔隙堵塞規(guī)律的影響。2）數(shù)值模擬通過重構(gòu)CT對試件透視掃描獲取的不同部位的切片圖像，形成試件三維圖像。利用離散元法建立三維細觀結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)試件孔隙率和三維圖像，利用離散元法（DEM）建立三維細觀結(jié)構(gòu)模型，隨

15、后通過與計算流體力學軟件耦合，測試構(gòu)建模型的透水性能，通過對實驗結(jié)果與計算結(jié)果的比較，驗證該數(shù)值仿真方法的可靠性。使用三維CFD-DEM數(shù)值模型模擬自由表面徑流攜帶的大量泥沙顆粒在透水路面附近及孔隙內(nèi)的運動現(xiàn)象；研究水流下滲對泥沙顆粒運動規(guī)律的影響。統(tǒng)計顆粒在水流作用下在孔隙通道內(nèi)的運動速度以及堵塞于孔隙處的發(fā)生概率；測得不同部位的孔隙率隨時間的變化曲線。三、 預期成果收集和分析國外透水性路面透水性能及孔隙堵塞實驗和仿真方面相關(guān)研究資料，調(diào)研國內(nèi)透水性路面鋪設(shè)及孔隙堵塞的情況。利用離散元方法建立三維模型，并對細沙顆粒進入無水流作用的干燥孔隙導致堵塞發(fā)生的過程進行數(shù)值模擬，通過對各影響因素敏感性

16、分析，確定干燥情況下各參數(shù)對堵塞發(fā)生的影響，通過室內(nèi)實驗對數(shù)值仿真實驗進行同步驗證。通過室內(nèi)實驗和數(shù)值模型仿真帶自由表面的地表徑流攜帶的大量泥沙顆粒在透水性路面附近及孔隙內(nèi)復雜的運動現(xiàn)象，研究水流-泥沙相互作用力學特性以及水流下滲對泥沙顆粒運動規(guī)律的影響。確定在有水流作用下透水路面集料級配與粒徑、集灰比、孔隙率與孔徑尺寸等對透水性路面抗堵塞能力的影響。指導教師意見（項目研究的選題意義、項目研究方案的科學性、可行性）：本項目選題結(jié)合了當前社會熱點問題：防治城市內(nèi)澇災害以及生態(tài)文明城市建設(shè)。具有重要的實際意義。揭示透水混凝土路面孔隙堵塞產(chǎn)生條件和發(fā)展過程的細觀機理具有很高的理論研究意義。 建議予以資助立項。 簽名： 2014 年 4月 25日學院意見： 簽名蓋章： 年 月 日學校意見： 簽名蓋章： 年 月 日四、申請者承諾本人保證上述填報內(nèi)容的真實性。如果獲得資助，我與本項目組的全體成員將嚴格遵守學校的有關(guān)規(guī)定，在不影響課程學習的同時，