联合格子Boltzmann方法和X-ray CT成像技术研究开级配沥青混合料中水的输运规律

摘要

随着我国公路事业的快速发展，沥青路面得到了广泛应用。然而由于沥青路面“水损害”造成的早期损坏现象普遍存在，如松散裂纹、坑槽等。“水损害”是指水由沥青路面空隙、裂缝进入路面内部后，水分逐渐侵入沥青与矿料的界面或沥青内部，使沥青与矿料之间的黏附性降低并逐渐丧失黏结能力，沥青膜逐渐从矿料表面剥离，沥青混合料掉粒、松散，造成沥青路面结构整体性的破坏。诸多研究表明，沥青路面对“水损害”尤为敏感。因此，从孔隙尺度下探究水在沥青路面空隙中的输运规律是研究沥青路面“水损害”的关键。
　　为了从孔隙尺度探究在恒定压力梯度作用下沥青路面中水的输运规律，本文建立了基于格子Boltzmann方法(LBM)的三维流体流动模型，并且使用了一些经典算例来加以验证。结果表明，模拟结果与解析解或前人已有的研究成果吻合较好。同时，对不同配合比的开级配沥青混合料试件在恒定压力梯度下，进行了渗水性能的模拟计算。本论文应用X射线计算机断层扫描成像技术重构沥青混合料试样的真实三维几何微结构，作为格子Boltzmann模型的输入。本文围绕这一课题，展开了如下的研究工作:
　　(1)详细介绍格子Boltzmann方法的基本理论，并以经典算例和前人已有研究成果加以验证。
　　从格子Boltzmann方法的起源——格子气自动机(LGA)说起，详细介绍了格子Boltzmann方法的基本理论、玻尔兹曼输运方程的基本步骤（“迁移”和“碰撞”）、核心概念（分布函数）、宏观变量与分布函数的关系、常用的格子Boltzmann表示DdQq方式（一维:D1Q2，D1Q3和D1Q5;二维:D2Q5和D2Q9;三维:D3Q15和D3Q19）以及常用的边界条件如:反弹格式边界，周期性边界，冯·诺依曼（速度）边界和狄利克雷（压力）边界条件等。
　　以经典算例验证格子Boltzmann方法，包括平板库埃特流动、平板泊肃叶流动，二维圆柱绕流以及人工理想多孔介质和人工随机多孔介质中的流动。模拟结果表明与解析解或前人的成果吻合较好。
　　(2)介绍的X射线计算机断层扫描成像技术的原理及操作步骤，开发对扫描后图像处理的算法并编程实现。
　　X射线计算机断层扫描技术(CT)是一种可视化的无损检测技术，可用于可视化固体的内部几何结构。通过连续的一系列马歇尔试样的二维切片，应用本论文开发的算法，重构试件的真实三维几何微结构，并且用作格子Boltzmann模型流体流动的几何模型。
　　第4章详细介绍了X射线CT成像技术的基本原理和具体操作步骤。作为本研究的一部分，本文还开发了算法用以研究试样的几何性质（如孔隙率等）的变化规律。所开发的算法程序在本文第5章。
　　(3)从孔隙尺度探究了在恒定压力梯度条件作用下，不同开级配沥青混合料试样中水的输运规律。
　　开发基于三维图像的格子Boltzmann模型及算法，该模型能够模拟不可压缩的单相牛顿流体在任何几何形状的空隙的流体流动。同时对传统的算法进行了改进，对“格子”进行了分类处理:对“格子”进行了分类处理，首先用“0”和“1”区分流体节点和固体节点（“0”代表流体格点，“1”代表固体节点），然后根据“0”和“1”的相对位置关系，把代表固体节点的“1”又分为两类:一类是与流体接触的流固边界，另一类为固体的内部节点。分类后的“格子”:对于流体节点，赋予LBGK模型;对于流固边界的节点则应用无滑移边界条件;而对于固体内部节点可以无需处理。这样分类处理后可以有效的节省计算机资源，大大提高模拟计算的效率。
　　本文从孔隙尺度探究了在恒定压力梯度条件作用下，不同开级配沥青混合料试样中水的输运规律，并预计不同深度下受“水损害”的敏感程度，以及渗水性能的变化。

目录

声明

摘要

第1章 概述

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 格子Boltzmann方法的发展

1．2．2 多孔介质流体流动模拟的格子Boltzmann方法

1．2．3 X-Ray CT重构沥青混合料试样的微结构

1．3 研究内容、技术路线和可行性分析

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 可行性研究

1．4．1 技术可行性

1．4．2 试验设备及其他软硬件

1．5 本章小结

第2章 格子Boltzmann方法

2．1 宏观、微观与介观

2．2 格子Boltzmann方法的基本模型

2．2．1 Boltzmann方程

2．2．2 单弛豫时间模型

2．3 格子Boltzmann基本算法

2．4 常用的边界条件

2．4．1 反弹边界(Bounce Back boundary)

2．4．2 周期性边界(Periodic boundary)

2．4．3 速度边界(Von Neumann boundary)

2．4．4 压力边界(Dirichlet boundary)

2．5 格子空间与物理空间的关系

2．5．1 相似准数

2．5．2 格子量与物理量之间的关系

2．6 本章小结

第3章 格子Boltzmann方法算例

3．1 粘性不可压缩流体平行平板间的定常剪切流

3．1．1 解析解

3．1．2 平板Couette流动

3．1．3 平板Poiseuille流动

3．2 圆柱绕流

3．2．1 理想流体圆柱绕流

3．2．2 实际流体圆柱绕流

3．3 人工多孔介质内的流体流动

3．3．1 人工理想有序多孔介质

3．3．2 人工随机多孔介质

3．4 本章小结

第4章 X-ray CT技术原理及沥青混合料试件扫描

4．1 X-ray CT技术原理

4．1．1 X-ray CT扫描系统

4．1．2 X-ray CT扫描成像原理

4．1．3 YXLON Compact CT

4．2 沥青混合料试件扫描

4．2．1 开级配抗滑磨耗层

4．2．2 沥青混合料试件的制作

4．2．3 沥青混合料试件的X-ray CT扫描

4．3 本章小结

第5章 数值图像处理

5．1 试件的图像处理与分析

5．1．1 图像获取

5．1．2 图像处理

5．1．3 图像分析

5．2 试件的三维数值重构

5．2．1 图形的“三值化”

5．2．2 试样的三维数值重构

5．3 本章小结

第6章 沥青混合料试样中水输运的Lattice Boltzmann Method模拟

6．1 几何模型

6．2 边界条件

6．3 Lattice Boltzmann Method模拟

6．4 结果及讨论

6．4．1 OGFC-13下限

6．4．2 OGFC-13中值

6．4．3 OGFC-13上限

6．4．4 主要结果

6．5 本章小结

结论与展望

致谢

附录

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果