聯(lián)合格子Boltzmann方法和X-ray CT成像技術研究開級配瀝青混合料中水的輸運規(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用。然而由于瀝青路面“水損害”造成的早期損壞現象普遍存在，如松散裂紋、坑槽等?！八畵p害”是指水由瀝青路面空隙、裂縫進入路面內部后，水分逐漸侵入瀝青與礦料的界面或瀝青內部，使瀝青與礦料之間的黏附性降低并逐漸喪失黏結能力，瀝青膜逐漸從礦料表面剝離，瀝青混合料掉粒、松散，造成瀝青路面結構整體性的破壞。諸多研究表明，瀝青路面對“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規(guī)律是

2、研究瀝青路面“水損害”的關鍵。
　　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規(guī)律，本文建立了基于格子Boltzmann方法(LBM)的三維流體流動模型，并且使用了一些經典算例來加以驗證。結果表明，模擬結果與解析解或前人已有的研究成果吻合較好。同時，對不同配合比的開級配瀝青混合料試件在恒定壓力梯度下，進行了滲水性能的模擬計算。本論文應用X射線計算機斷層掃描成像技術重構瀝青混合料試樣的真實三維幾何微結構，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)詳細介紹格子Boltzmann方法的基本理論，并以經典算例和前人已有研究成果加以驗證。
　　從格子Boltzmann方法的起源——格子氣自動機(LGA)說起，詳細介紹了格子Boltzmann方法的基本理論、玻爾茲曼輸運方程的基本步驟（“遷移”和“碰撞”）、核心概念（分布函數）、宏觀變量與分布函數的關系、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。
　　以經典算例驗證格子Boltzmann方法，包括平板庫埃特流動、平板泊肅葉流動，二維圓柱繞流以及人工理想多孔介質和人工隨機多孔介質中的流動。模擬結果表明與解析解或前人的成果吻合較好。
　　(2)介紹的X射線計算機斷層掃描成像技術的原理

5、及操作步驟，開發(fā)對掃描后圖像處理的算法并編程實現。
　　X射線計算機斷層掃描技術(CT)是一種可視化的無損檢測技術，可用于可視化固體的內部幾何結構。通過連續(xù)的一系列馬歇爾試樣的二維切片，應用本論文開發(fā)的算法，重構試件的真實三維幾何微結構，并且用作格子Boltzmann模型流體流動的幾何模型。
　　第4章詳細介紹了X射線CT成像技術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（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，不同開級配瀝青混合料試樣中水的輸運規(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。同時對傳統(tǒng)的算法進行了改進，對“格子”進行了分類處理:對“格子”進行了分類處理，首先用“0”和“1”區(qū)分流體節(jié)點和固體節(jié)點（“0”代表流體格點，“1”代表固體節(jié)點）

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