聯(lián)合格子Boltzmann方法和X-ray CT成像技術(shù)研究開級(jí)配瀝青混合料中水的輸運(yùn)規(guī)律.pdf

1、隨著我國公路事業(yè)的快速發(fā)展，瀝青路面得到了廣泛應(yīng)用。然而由于瀝青路面“水損害”造成的早期損壞現(xiàn)象普遍存在，如松散裂紋、坑槽等?！八畵p害”是指水由瀝青路面空隙、裂縫進(jìn)入路面內(nèi)部后，水分逐漸侵入瀝青與礦料的界面或?yàn)r青內(nèi)部，使瀝青與礦料之間的黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)能力，瀝青膜逐漸從礦料表面剝離，瀝青混合料掉粒、松散，造成瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性的破壞。諸多研究表明，瀝青路面對(duì)“水損害”尤為敏感。因此，從孔隙尺度下探究水在瀝青路面空隙中的輸運(yùn)規(guī)律是

2、研究瀝青路面“水損害”的關(guān)鍵。
　　為了從孔隙尺度探究在恒定壓力梯度作用下瀝青路面中水的輸運(yùn)規(guī)律，本文建立了基于格子Boltzmann方法(LBM)的三維流體流動(dòng)模型，并且使用了一些經(jīng)典算例來加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與解析解或前人已有的研究成果吻合較好。同時(shí)，對(duì)不同配合比的開級(jí)配瀝青混合料試件在恒定壓力梯度下，進(jìn)行了滲水性能的模擬計(jì)算。本論文應(yīng)用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)重構(gòu)瀝青混合料試樣的真實(shí)三維幾何微結(jié)構(gòu)，作為格子Bol

3、tzmann模型的輸入。本文圍繞這一課題，展開了如下的研究工作:
　　(1)詳細(xì)介紹格子Boltzmann方法的基本理論，并以經(jīng)典算例和前人已有研究成果加以驗(yàn)證。
　　從格子Boltzmann方法的起源——格子氣自動(dòng)機(jī)(LGA)說起，詳細(xì)介紹了格子Boltzmann方法的基本理論、玻爾茲曼輸運(yùn)方程的基本步驟（“遷移”和“碰撞”）、核心概念（分布函數(shù)）、宏觀變量與分布函數(shù)的關(guān)系、常用的格子Boltzmann表示DdQq方式（一

4、維:D1Q2，D1Q3和D1Q5;二維:D2Q5和D2Q9;三維:D3Q15和D3Q19）以及常用的邊界條件如:反彈格式邊界，周期性邊界，馮·諾依曼（速度）邊界和狄利克雷（壓力）邊界條件等。
　　以經(jīng)典算例驗(yàn)證格子Boltzmann方法，包括平板庫埃特流動(dòng)、平板泊肅葉流動(dòng)，二維圓柱繞流以及人工理想多孔介質(zhì)和人工隨機(jī)多孔介質(zhì)中的流動(dòng)。模擬結(jié)果表明與解析解或前人的成果吻合較好。
　　(2)介紹的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)的原理

5、及操作步驟，開發(fā)對(duì)掃描后圖像處理的算法并編程實(shí)現(xiàn)。
　　X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)是一種可視化的無損檢測(cè)技術(shù)，可用于可視化固體的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。通過連續(xù)的一系列馬歇爾試樣的二維切片，應(yīng)用本論文開發(fā)的算法，重構(gòu)試件的真實(shí)三維幾何微結(jié)構(gòu)，并且用作格子Boltzmann模型流體流動(dòng)的幾何模型。
　　第4章詳細(xì)介紹了X射線CT成像技術(shù)的基本原理和具體操作步驟。作為本研究的一部分，本文還開發(fā)了算法用以研究試樣的幾何性質(zhì)（如孔隙率等

6、）的變化規(guī)律。所開發(fā)的算法程序在本文第5章。
　　(3)從孔隙尺度探究了在恒定壓力梯度條件作用下，不同開級(jí)配瀝青混合料試樣中水的輸運(yùn)規(guī)律。
　　開發(fā)基于三維圖像的格子Boltzmann模型及算法，該模型能夠模擬不可壓縮的單相牛頓流體在任何幾何形狀的空隙的流體流動(dòng)。同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)的算法進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)“格子”進(jìn)行了分類處理:對(duì)“格子”進(jìn)行了分類處理，首先用“0”和“1”區(qū)分流體節(jié)點(diǎn)和固體節(jié)點(diǎn)（“0”代表流體格點(diǎn)，“1”代表固體節(jié)點(diǎn)）

7、，然后根據(jù)“0”和“1”的相對(duì)位置關(guān)系，把代表固體節(jié)點(diǎn)的“1”又分為兩類:一類是與流體接觸的流固邊界，另一類為固體的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。分類后的“格子”:對(duì)于流體節(jié)點(diǎn)，賦予LBGK模型;對(duì)于流固邊界的節(jié)點(diǎn)則應(yīng)用無滑移邊界條件;而對(duì)于固體內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以無需處理。這樣分類處理后可以有效的節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，大大提高模擬計(jì)算的效率。
　　本文從孔隙尺度探究了在恒定壓力梯度條件作用下，不同開級(jí)配瀝青混合料試樣中水的輸運(yùn)規(guī)律，并預(yù)計(jì)不同深度下受“水損害”的