基于流固耦合的透水路面空隙堵塞细观机理研究

1山东大学大学生科技创新基金项目申请书学院：土建与水利学院项目名称：基于流固耦合的透水路面孔隙堵塞细观机理研究申请负责人：王复生指导教师：张炯山东大学本科生院制2014年4月25日2填写说明一、申报书须逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、项目由全日制本科生提出申请，原则上以一至三年级学生为主。申请者要品学兼优、学有余力，有较强的独立思考能力和创新意识，对科学研究、科技活动或社会实践有浓厚的兴趣；参与学生要自主设计实验、自主完成实验、自主管理实验；注重创新训练项目实施过程，强调项目实施过程中学生在创新思维和创新实践方面的收获。三、申请者可以是个人或团队，团队总人数不得超过5人。四、申请书中第一次出现外文名词时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写。五、表格中的字体小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸打印，于左侧装订成册。3项目名称基于流固耦合的透水路面空隙堵塞细观机理研究起止时间2014年5月至2015年5月负责人姓名年级所在院系、专业联系电话E-mail王复生2013级土建与水利学院水利水电工程[e-mail]项目组成员粟一帆2013级土建与水利学院水利水电工程[e-mail]陈仁圣2013级土建与水利学院水利水电工程[e-mail]陈东平2013级土建与水利学院水利水电工程[e-mail]商慧2011级土建与水利学院城市地下空间[e-mail]导师姓名张炯职务/职称水利水电工程系副主任电话[e-mail]4一、申请理由（包括自身具备的知识条件：自己的特长、兴趣等）近年来，随着国民经济的发展，我国城市化进程有了显著提高，而城市化的一个重要表现就是不透水面分布比率的上升。随着城区不透水面积的增加，引发了一系列城市生态环境的改变，其中最为严重的就是降雨产流量增大，径流系数明显偏大，降雨产生的地面径流由于无法渗入地下而形成市区内涝积水灾害，比如2012年发生在北京的7.21暴雨引发的涝灾造成了重大人员伤亡和经济损失。大雨大涝，小雨小淹，排水不畅已经成了城市的顽疾，这给城市建设者们敲响了警钟。因此，如何能使降雨不产生或尽量少产生地表径流成为国内外城市（尤其是大都市）建设过程中十分关注的问题。试图将雨水全部汇入下水管道排入河道的做法不仅花费巨大而且不符合可持续发展观；使雨水入渗土壤、补充地下水资源或者加以储存利用已成为目前国际上推崇的主流思路。透水混凝土是一种高渗透性路面材料，有着很好的透水性和通气性。它作为一种环境友好型道路铺装材料在城市道路中得到了广泛应用。利用透水性混凝土的渗透性来排除多降雨地区的积水始于20世纪70年代[2]，研究表明，透水性混凝土路面的高孔隙结构能让雨水有效渗入地下，减少城市地表径流，此外，贯通性孔隙具有吸音、降噪的功能。透水路面还具有良好的生态功能，可以使入渗的雨水水质得到净化，并可调节地表温湿度，有效减缓城市热岛效应。在可持续发展理念指导下，近几年我国透水路面工程研究应用迅速发展，这将对解决大都市的市内排水不畅问题起到巨大的作用。透水路面与普通路面最大的差异就在于透水性，而影响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%才能保证路面透水的有效性。然而在透水路面建成后，由于矿物或有机的细颗粒会随着水流不断进入孔隙，孔隙会因堵塞而导致渗透性能不断降低，从而难以发挥透水性路面的功能，使其演变成非透水路面，造成经济上的浪费。由于国际上对透水性混凝土透水性能的研究刚刚起步，而在防止透水性路面堵塞方面的研究较少，且主要偏重于现象上的实验分析，或仅在二维层面上进行研究。因此，本项目拟借助试验和三维数值计算等手段研究透水混凝土渗透性演变及堵塞的细观力学机理，建立能反映透水性路面堵塞的数值模型，为透水性路面设计施工方案和参数的选取、养护维修措施的制定提供科学有效的依据，推动透水混凝土路面病害学领域的研究和发展，为透水性路面大规模推广提供有力保障，从而为因城市化造成的不透水面积不断扩大，及由此引发的严重的城市洪涝问题提供一条有效的解决途径。申请人来自水利水电工程专业，我们的专业知识是本基金项目的实施的基础，另外本项目成员之间能很好的交流合作，大家在学习的过程中都很善于思考和钻研，并且我们都具有吃苦耐劳的品质，保证本项目的顺利实施。5二、项目方案2.1研究内容1）透水混凝土孔隙结构三维建模方法研究通过CT对试件进行透视扫描以获取不同部位的切片图像，并利用一系列程序将二维CT图像进行重构形成试件三维图像。根据试件孔隙率和三维图像，利用离散元法（DEM）建立三维细观结构模型，利用与集料粒径和级配一致的球体复合形成与实际透水路面相近的孔隙分布结构，随后通过与计算流体力学（CFD）耦合，测试构建模型的透水性能。耦合计算中，流体部分由CFD运用含有孔隙率项和附加体力项的Navier-Stockes方程计算，得出每个计算单元内的流体速度和压力，将之传给DEM，用于计算颗粒的运动情况，并得出孔隙率和附加的体力传给CFD。在每个计算时步内，通过这种双向耦合，计算出流体和颗粒的相互作用运动情况。通过实验结果与计算结果的比较，验证该数值仿真方法的可靠性。2）透水混凝土路面内颗粒三维运移规律与孔隙堵塞机理研究路面附近的颗粒受力是十分复杂的，颗粒在重力、水流推移力、水流上举力、颗粒间的反力和摩擦力、分子力以及地面渗流的综合影响下的运动情况，在现有的文献资料中很少有深入研究。水平方向的地表径流将携带泥沙颗粒在地表迁移，与此同时，透水路面竖直向下的渗流将改变路面附近的径流流向、紊动强度以及粘性底层的厚度等从而导致部分颗粒由地表向地下运动。颗粒在向下的运动过程中由于有些孔隙孔径尺寸变小致使部分颗粒不断聚集便引发堵塞。本课题为从机理上揭示这一过程中各因素所起的作用，通过室内试验和使用三维计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）模型来模拟自由表面径流携带的大量泥沙颗粒在透水路面附近及孔隙内复杂的运动现象；研究水流-泥沙相互作用力学特性以及水流下渗对泥沙颗粒运动规律的影响。统计颗粒在水流作用下在孔隙通道内的运动速度以及堵塞于孔隙处的发生概率；测量得出不同部位的孔隙率随时间的变化曲线；确定在有水流作用下透水路面集料级配与粒径、摩擦系数、集灰比、孔隙率与孔径尺寸等对透水路面抗堵塞能力的影响；围绕地表径流、透水路面孔隙、运动泥沙颗粒三者之间的相互作用开展系统研究，从而提出导致透水路面堵塞的各因素对路面渗透性影响的关系公式。2.2研究方法本课题基于计算流体力学和离散元耦合理论，三维数值建模方法，借助室内模型试验，CT透视扫描技术并结合理论分析等多种手段开展透水混凝土路面孔隙堵塞发生条件与发展过程的研究。基于一系列基础性研究，揭示透水路面发生孔隙堵塞的机理，通过对若干关键问题和关键技术进行研究，对透水混凝土路面的设计进行优化，研究有效可行的施工方法，为透水路面孔隙堵塞预防和修复奠定基础。2.3实验方案61）室内试验试验材料水泥为42.5普通硅酸盐水泥；粗集料是粒径为5~10mm单粒级石灰岩碎石，表观密度为2665kg/m3，堆积密度为1655kg/m3，孔隙率为38%；外加剂为氨基磺酸盐系高效减水剂，具有高效减水、超塑化、增强等功能，其用量为水泥用量的0.8%。配合比本试验采用体积法进行配合比设计：采用单粒级粗集料作为骨架，水泥净浆薄层包裹在粗集料颗粒的表面，作为集料颗粒之间的胶结层，形成骨架—空隙结构的多孔混凝土材料。配合比设计需要确定的几个关键参数有：集料在紧密堆积下的空隙率，可通过试验测定；所拌混凝土的目标孔隙率和水灰比，试验中目标孔隙率取10%、15%、20%和25%；水灰比取0.32、0.34、0.36、0.38和0.4。共对20种配合比进行了研究。试件的制作与养护透水混凝土的拌合采用水泥裹石法：先将集料和15%的水加入搅拌机预拌30s，使集料表面润湿；再加入水泥拌和，以形成包裹集料表面的水泥粉壳；最后将外加剂和剩余的水混合均匀后倒入，搅拌约120s，待均匀混合后出料装模。试件有两种尺寸规格：，用于渗透系数的测试；100mm×200mm×100mm，用于水槽试验。成型方法采用振动成型，振动时间为15s。养护方法采用标准养护。试件成型24小时后拆模，将试件置于标准养护室内养护28天。渗透性试验利用自行研制的渗透仪（图2），测试透水混凝土渗透性演化曲线，测试方法如下：7图2透水混凝土渗透测试仪1）将透水混凝土试件两端分别切去5mm，以消除试件上下表面振捣不均匀产生的影响。2）将试块放入去离子水中浸泡48小时，保证所有连通的孔隙都能浸透。3）取出试件，用黄油涂抹侧表面，用橡胶套套封闭包裹试件侧表面，安装在有机玻璃内套筒处。4）根据路面沙粒级配曲线确定在各粒径范围内的沙粒组成质量百分比。按照不同沙粒平均质量浓度，分别配置水沙混合液。5）打开水泵缓慢注水，水流自上而下灌满整个试件套筒，且产生均匀溢流。使用容器分别保存溢流口和出流口处的水沙混合液。每次溢流过程为200小时，每隔8小时换一次溢流和出流口处的容器，并将试件取出，通过CT对发生渗透性衰减的试件进行透视扫描，以获取不同部位堵塞情况的切片图像，探寻首先发生堵塞部位具有的特征，以及堵塞形成后，颗粒累积发展规律，从细观层面研究孔隙堵塞的机理。6）将不同时间收集的溢流和出流分别测体积，并将其烘干测颗粒总质量和级配，得到透水混凝土渗透性演化过程，以及沙粒的粒径分布特征。7）更换其他组试件按照上述步骤进行测量，通过这种方法研究多种因素（如：孔隙-粒径比、水灰比、孔隙率等）对孔隙堵塞规律的影响。2）数值模拟8通过重构CT对试件透视扫描获取的不同部位的切片图像，形成试件三维图像。利用离散元法建立三维细观结构模型，根据试件孔隙率和三维图像，利用离散元法（DEM）建立三维细观结构模型，随后通过与计算流体力学软件耦合，测试构建模型的透水性能，通过对实验结果与计算结果的比较，验证该数值仿真方法的可靠性。使用三维CFD-DEM数值模型模拟自由表面径流携带的大量泥沙颗粒在透水路面附近及孔隙内的运动现象；研究水流下渗对泥沙颗粒运动规律的影响。统计颗粒在水流作用下在孔隙通道内的运动速度以及堵塞于孔隙处的发生概率；测得不同部位的孔隙率随时间的变化曲线。9三、预期成果收集和分析国外透水性路面透水性能及孔隙堵塞实验和仿真方面相关研究资料，调研国内透水性路面铺设及孔隙堵塞的情况。利用离散元方法建立三维模型，并对细沙颗粒进入无水流作用的干燥孔隙导致堵塞发生的过程进行数值模拟，通过对各影响因素敏感性分析，确定干燥情况下各参数对堵塞发生的影响，通过室内实验对数值仿真实验进行同步验证。通过室内实验和数值模型仿真带自由表面的地表径流携带的大量泥沙颗粒在透水性路面附近及孔隙内复杂的运动现象，研究水流-泥沙相互作用力学特性以及水流下渗对泥沙颗粒运动规律的影响。确定在有水流作用下透水路面集料级配与粒径、集灰比、孔隙率与孔径尺寸等对透水性路面抗堵塞能力的影响。指导教师意见（项目研究的选题意义、项目研究方案的科学性、可行性）：本项目选题结合了当前社会热点问题：防治城市内涝灾害以及生态文明城市建设。具有重要的实际意义。揭示透水混凝土路面孔隙堵塞产生条件和发展过程的细观机理具有很高的理论研究意义。建议予以资助立项。签名：2014年4月25日学院意见：签名盖章：年月日学校意见：签名盖章：年月日10四、申请者承诺本人保证上述填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组的全体成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，充分保证投入项目研究的时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，自觉接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。申请者（签名）：2014年4月25日