微膠囊自修復(fù)技術(shù)是針對(duì)于混凝土的裂縫劣化、鋼筋銹蝕等問(wèn)題的一種有效的修復(fù)手段,在提高混凝土耐久性和使用壽命等方面都具有非常重要的意義。實(shí)現(xiàn)微膠囊自修復(fù)功能的前提是微膠囊在水泥基材料攪拌過(guò)程中保持完整性,而在硬化后,當(dāng)裂縫擴(kuò)展時(shí)發(fā)生破裂。本文通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）-離散元（DEM）耦合方法分析微膠囊在凈漿攪拌過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力分析,進(jìn)而得到微膠囊在攪拌過(guò)程中的存活率。在凈漿攪拌過(guò)程中,利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)手段無(wú)法準(zhǔn)確的獲取流體以及顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為解決這一問(wèn)題,本文采用CFD-DEM耦合模擬的計(jì)算格式進(jìn)行計(jì)算,并通過(guò)小球下落模擬及攪拌桶試驗(yàn),驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性,為后續(xù)的計(jì)算結(jié)果提供保障。本研究對(duì)微膠囊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從三個(gè)方面進(jìn)行分析:（1）分析攪拌桶中擬凈漿的流場(chǎng)變化,包括了凈漿的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍流強(qiáng)度場(chǎng);（2）分析攪拌桶中微膠囊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),包括顆粒的速度場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)軌跡、流體力、壓力、合力以及碰撞力;（3）通過(guò)微膠囊的破裂值估算出微膠囊在攪拌過(guò)程中的破裂率。發(fā)現(xiàn)微膠囊在凈漿攪拌過(guò)程中受到流體力、合力以及切向碰撞力時(shí)對(duì)微膠囊破裂幾乎沒(méi)有影響,而受到的壓力以及法向碰撞力的作用時(shí)容易導(dǎo)致其... 

【文章來(lái)源】：深圳大學(xué)廣東省

【文章頁(yè)數(shù)】：82 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

微膠囊自修復(fù)Fig.1-1.Self-healingbasedonmicrocapsule

微膠囊在水泥凈漿攪拌過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析12圖2-1.EDEM基本處理框架Fig.2-1.EDEMbasicprocessingframework2.2.1顆粒運(yùn)動(dòng)的控制方程離散元素法的基本思想是將研究對(duì)象劃分為很多個(gè)獨(dú)立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用，采用動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)松弛法進(jìn)行迭代，計(jì)算確定在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)所有單元的受力和位移，并且實(shí)時(shí)的更新顆粒的坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)單個(gè)顆粒的微觀運(yùn)動(dòng)可以得到顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在離散元法中接觸模型決定了顆粒的力和位移之間的關(guān)系，牛頓第二定律可以用于求解顆粒的位移、速度以及加速度。由于離散元素法是建立在牛頓第二定律和不同的接觸模型上的，所以不同的接觸模型對(duì)于顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)有不一樣的影響。（1）顆粒的運(yùn)動(dòng)方程顆粒的位移可以通過(guò)牛頓第二定律計(jì)算得到。顆粒受力包括了流體力，拖曳力，升力，浮力，顆粒之間碰撞力、顆粒和幾何壁面之間的碰撞力以及顆粒所收到的旋轉(zhuǎn)作用的力矩。根據(jù)牛頓第二定律可得，顆粒的運(yùn)動(dòng)方程以及由于旋轉(zhuǎn)受到力矩方程如下所示：=+∑(,+,)+,+,+,=1（2-11）,=163（2-12）=∑(,+,)=1（2-13）其中是顆粒質(zhì)量；是顆粒速度；顆粒重力加速度；,和,顆粒受到的法向力和切向力；,顆粒受到的拖曳力；,顆粒受到的升力；,顆粒受到的浮力;是顆粒直徑；是顆粒密度；顆粒角速度；,和,分別是顆粒受到的法向和切向力矩；是由于旋轉(zhuǎn)顆粒受到的力矩。（2）接觸模型

微膠囊在水泥凈漿攪拌過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析13接觸模型是描述顆粒單元之間接觸力的計(jì)算，是組成離散元素重要的一部分。在EDEM軟件當(dāng)中內(nèi)置了很多的接觸模型，比如Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型[58]、Hertz-Mindlin粘結(jié)模型[58]、Hertz-Mindlin熱傳導(dǎo)模型[59]、線性粘性模型[60]等，當(dāng)然該軟件也支持二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)API接口將自定義的模型進(jìn)行導(dǎo)入。Hertz-Mindlin具有準(zhǔn)確高效的計(jì)算性能，該模型成功的運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。故本文采用此模型進(jìn)行計(jì)算顆粒之間的接觸力。接觸力學(xué)模型又稱為彈性-阻尼-摩擦接觸力學(xué)模型，如下圖2-2所示，可以將接觸模型的計(jì)算分為法向力和切向力分別進(jìn)行計(jì)算。圖2-2接觸力學(xué)模型：1-顆粒剛度（彈簧）；2-阻尼器；3-摩擦器Fig.2-2Contactmechanicsmodel:1-particlestiffness(spring);2-damper;3-friction（1）接觸模型法向力計(jì)算顆粒和顆粒之間的碰撞之間的接觸力和力矩通過(guò)Hertz-Mindlinmodel進(jìn)行計(jì)算，其中i,j顆粒之間法向力,：,=43√,23,（2-15）,=256√2+√,（2-16）,=2√,（2-17）其中是楊氏模量；是顆粒質(zhì)量；是等效半徑；,法向的重疊量；,是法向剛度；相對(duì)速度的法相分量；e是恢復(fù)系數(shù)（2）接觸模型的切向力計(jì)算顆粒之間的切向力,由,是切向重疊量；,切向剛度計(jì)算得出，且受限于μn,ij,μ是靜摩擦系數(shù)，顆粒受到的切向力如下所示：,=,,,（2-18）

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微膠囊自修復(fù)水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 王險(xiǎn)峰,孫培培,邢鋒,韓寧旭.  防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào). 2016(01)
[2]A hybrid DEM/CFD approach for solid-liquid flows[J]. 邱流潮,WU Chuan-yu.  Journal of Hydrodynamics. 2014(01)
[3]荷載與環(huán)境因素耦合作用下結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性與服役壽命[J]. 孫偉.  東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2006(S2)
[4]Characterization of the Mechanical Properties of Urea-Formaldehyde Microcapsules[J]. 劉天中.  過(guò)程工程學(xué)報(bào). 2005(04)

博士論文
[1]石墨烯改性相變微膠囊的制備、應(yīng)用及數(shù)值模擬[D]. 吳炳洋.天津工業(yè)大學(xué) 2018
[2]水泥基材料用微膠囊自修復(fù)技術(shù)與原理的研究[D]. 張鳴.中南大學(xué) 2013

碩士論文
[1]兩種壁材制備功夫菊酯微膠囊及其性能研究[D]. 孫陳鋮.揚(yáng)州大學(xué) 2018
[2]KR法攪拌罐內(nèi)自由液面及多相流混合特性數(shù)值模擬[D]. 何訊超.山東大學(xué) 2017
[3]多孔熱風(fēng)管滾筒式茶葉殺青機(jī)技術(shù)研究[D]. 羅杰.浙江工業(yè)大學(xué) 2016
[4]微膠囊自修復(fù)混凝土修復(fù)過(guò)程及機(jī)理研究[D]. 房國(guó)豪.深圳大學(xué) 2016
[5]基于有限元和離散元碾米過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真及應(yīng)用[D]. 李祖吉.武漢輕工大學(xué) 2016
[6]基于EDEM-FLUENT耦合的氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)與研究[D]. 張學(xué)強(qiáng).西華大學(xué) 2015
[7]減水劑對(duì)混凝土工作性和強(qiáng)度的影響[D]. 霍雷.哈爾濱工程大學(xué) 2012



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