一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法技术

本发明专利技术涉及土体热物性计算技术领域，公开了一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法，包括以下步骤：(1)以大孔隙为初始生长相，重构团聚体间孔隙网格，形成颗粒团聚外轮廓；(2)以小孔隙为二次生长相，在团聚体轮廓内重构团聚体内孔隙，形成颗粒团聚的内轮廓；(3)以孔隙水为三次生长相，并假设水分优先分布在小孔隙内，开展水分分布建模(4)稳态导热模拟，基于热流平衡法求解温度场和热流场，计算压实膨润土导热系数，本发明专利技术通过大小双重孔隙的分步建模，分别构建压实膨润土内颗粒团聚的内外轮廓，从而很好地实现了压实膨润土内颗粒团聚的建模表征，为精确计算其导热系数奠定基础。定基础。定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法


[0001]本专利技术涉及土体热物性计算
，特别涉及一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法。

技术介绍

[0002]压实膨润土是高放核废料深地处置库中工程屏障的力学缓冲回填材料，其导热系数既是决定处置库散热设计的关键参数，也是研究处置库运行过程中温度场分布和演化的重要指标，精准确定压实膨润土的导热系数对于处置库的安全设计具有重要意义。
[0003]近年来，随着数值计算技术的成熟，通过数值建模和导热模拟逐渐发展为一种高效计算土体导热系数的新方法。这种数值计算方法大都将土体视作固液气三相介质，通过数值建模重构土内三相分布，并在此基础上开展导热模拟进而计算土体导热系数。然而，现有土体的数值建模算法对压实膨润土内土颗粒之间复杂的团聚行为缺乏考虑，因此，难以精准计算压实膨润土导热性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法，实现压实膨润土导热性能的精准计算。
[0005]一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法，包括以下步骤：
[0006]S1、颗粒团聚外轮廓建模
[0007]采用随机生长算法，在二维网格系统Ω内，以团聚体间大孔隙为初始生长相，重构压实膨润土中团聚体间孔隙网格，所占区域为Ω
M
；Ω
M
外其他区域为颗粒团聚区域，定义为Ω
a
，Ω
M
边缘构成压实膨润土中颗粒团聚的外轮廓；<br/>[0008]S2、颗粒团聚内轮廓建模
[0009]在Ω
a
区域内，以团聚体内小孔隙为二次生长相，采用随机生长算法重构压实膨润土中团聚体内孔隙网格，所占区域为Ω
m
，Ω
m
边缘构成压实膨润土中颗粒团聚的内轮廓；结合团聚体间大孔隙边缘构成的外轮廓，位于内、外轮廓之间的网格即为团聚的土颗粒骨架系统，定义为Ω
s
；
[0010]S3、水分分布建模
[0011]在已生成的团聚体内孔隙区域Ω
m
和团聚体间孔隙区域Ω
M
，以孔隙水为三次生长相，假设水分优先分布在团聚体内孔隙中，重构孔隙水在压实膨润土双孔隙内的空间分布，双孔隙区域其他部分为孔隙气相；
[0012]S4、导热模拟与指标计算
[0013]在S1、S2和S3生成的压实膨润土双孔三相网格模型基础上，开展稳态导热模拟，并计算稳态时热流场和温度场，最后根据傅里叶定律计算整体导热系数。
[0014]上述步骤S1颗粒团聚外轮廓建模的具体步骤如下：
[0015]S11、选定生成建模区域，采用方形网格，单个网格分辨率为1μm2，二维代表性单元
体REV也为方形，其单边长为200μm，即200个网格，总体共40000个网格；
[0016]S12、以团聚体间大孔隙为初始生长相，令F
a
为Ω内Ω
a
(包含Ω
m
和Ω
s
两部分)占比，根据F
a
计算团聚体间孔隙生长核分布概率C
dM
，在Ω区域根据C
dM
确定固相生长核的数量和分布，具体如下：遍历Ω区域所有网格，分配一个[0,1]之间的随机数，当该网格内随机数小于C
dM
将自动转为团聚体间孔隙生长核；
[0017]S13、团聚体间孔隙生长核逐次向四周八个方向上的相邻网格扩张，设置团聚体间孔隙在八个方向上的方向生长概率D
i
，令D
i
＝0.0004，i＝1,2,3,4(四个主方向)；D
i
＝0.0001，i＝5,6,7,8(四个角方向)；同样地，给每个位于生长方向上的相邻网格赋予一个[0,1]之间的随机数；当该网格随机数小于该方向上的D
i
时，该网格即转化为新的团聚体间孔隙网格；
[0018]S14、重复步骤S13直到团聚体间孔隙占比与实测团聚体间孔隙比e
M
吻合，初始生长相所占区域定义为团聚体间孔隙Ω
M
，其边缘以外部分为颗粒团聚区域Ω
a
。
[0019]上述步骤S2颗粒团聚内轮廓建模的具体步骤如下：
[0020]S21、在颗粒团聚区域Ω
a
中，以小孔隙为二次生长相，根据小孔隙生长核分布概率C
dm
确定团聚体内孔隙生长核，令C
dm
＝F
m
，F
m
为颗粒团聚区域Ω
a
内小孔隙占比，即Ω
m
:Ω
a
，遍历Ω
a
区域所有网格，分配一个[0,1]之间随机数，当该随机数小于C
dm
时，Ω
a
中原网格即转为团聚体内小孔隙网格；
[0021]S22、由于C
dm
＝F
m
，遍历Ω
a
中所有网格后，所生成的团聚体内小孔隙网格数量刚好与团聚体内孔隙比e
m
吻合，则无需按照大孔隙一样进一步向四周扩张，Ω
a
中所有二次生长相所占区域为团聚体内小孔隙，定义为Ω
m
，其构成颗粒团聚的内边缘，Ω
a
中Ω
m
外的其余网格即为土颗粒团聚骨架Ω
s
。
[0022]上述步骤S3水分分布建模的具体步骤如下：
[0023]S31、令团聚体内孔隙饱和时压实膨润土的饱和度为临界饱和度，当饱和度S
r
小于临界饱和度时，即水分不足以完全饱和团聚体内孔隙，所有水相网格都在Ω
m
区域生成，给Ω
m
内所有团聚体内孔隙网格一个[0,1]之间随机数，若该网格i方向相邻网格为固相，且该网格随机数小于D
isl
时，D
isl
表示孔隙中某网格i方向上相邻网格为固相时，该孔隙网格变为孔隙水的方向生长概率，令D
isl
＝0.0001，该孔隙网格即变为孔隙水相；若该网格i方向相邻网格为水相，且该网格随机数小于D
ill
时，D
ill
表示孔隙中某网格i方向上相邻网格为水相时，该孔隙网格变为孔隙水的方向生长概率，D
ill
＝0.00001，该孔隙网格也变为孔隙水相；
[0024]S32、重复步骤S31直到Ω
m
内孔隙水相网格数量满足压实膨润土实际饱和度为止；
[0025]S33、当饱和度S
r
大于临界饱和度时，首先令Ω
m
内所有团聚体内孔隙网格转为孔隙水相网格，超出临界饱和度部分的水相则在Ω
M
内生成，同样地，给Ω
M
内所有团本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、颗粒团聚外轮廓建模采用随机生长算法，在二维网格系统Ω内，以团聚体间大孔隙为初始生长相，重构压实膨润土中团聚体间孔隙网格，所占区域为Ω
M
；Ω
M
外其他区域为颗粒团聚区域，定义为Ω
a
，Ω
M
边缘构成压实膨润土中颗粒团聚的外轮廓；S2、颗粒团聚内轮廓建模在Ω
a
区域内，以团聚体内小孔隙为二次生长相，采用随机生长算法重构压实膨润土中团聚体内孔隙网格，所占区域为Ω
m
，Ω
m
边缘构成压实膨润土中颗粒团聚的内轮廓；结合团聚体间大孔隙边缘构成的外轮廓，位于内、外轮廓之间的网格即为团聚的土颗粒骨架系统，定义为Ω
s
；S3、水分分布建模在已生成的团聚体内孔隙区域Ω
m
和团聚体间孔隙区域Ω
M
，以孔隙水为三次生长相，假设水分优先分布在团聚体内孔隙中，重构孔隙水在压实膨润土双孔隙内的空间分布，双孔隙区域其他部分为孔隙气相；S4、导热模拟与指标计算在S1、S2和S3生成的压实膨润土双孔三相网格模型基础上，开展稳态导热模拟，并计算稳态时热流场和温度场，最后根据傅里叶定律计算整体导热系数。2.如权利要求1所述的考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法，其特征在于，所述步骤S1颗粒团聚外轮廓建模的具体步骤如下：S11、选定生成建模区域，采用方形网格，单个网格分辨率为1μm2，二维代表性单元体REV也为方形，其单边长为200μm，即200个网格，总体共40000个网格；S12、以团聚体间大孔隙为初始生长相，令F
a
为Ω内Ω
a
(包含Ω
m
和Ω
s
两部分)占比，根据F
a
计算团聚体间孔隙生长核分布概率C
dM
，在Ω区域根据C
dM
确定固相生长核的数量和分布，具体如下：遍历Ω区域所有网格，分配一个[0,1]之间的随机数，当该网格内随机数小于C
dM
将自动转为团聚体间孔隙生长核；S13、团聚体间孔隙生长核逐次向四周八个方向上的相邻网格扩张，设置团聚体间孔隙在八个方向上的方向生长概率D
i
，令D
i
＝0.0004，i＝1,2,3,4(四个主方向)；D
i
＝0.0001，i＝5,6,7,8(四个角方向)；同样地，给每个位于生长方向上的相邻网格赋予一个[0,1]之间的随机数；当该网格随机数小于该方向上的D
i
时，该网格即转化为新的团聚体间孔隙网格；S14、重复步骤S13直到团聚体间孔隙占比与实测团聚体间孔隙比e
M
吻合，初始生长相所占区域定义为团聚体间孔隙Ω
M
，其边缘以外部分为颗粒团聚区域Ω
a
。3.如权利要求2所述的考虑颗粒团聚的压实膨润土导热性能数值计算方法，其特征在于，所述步骤S2颗粒团聚内轮廓建模的具体步骤如下：S21、在颗粒团聚区域Ω
a
中，以小孔隙为二次生长相，根据小孔隙生长核分布概率C
dm
确定团聚体内孔隙生长核，令C
dm
＝F
m
，F
m
为颗粒团聚区域Ω
a
内小孔隙占比，即Ω
m
:Ω
a
，遍历Ω
a
区域所有网格，分配一个[0,1]之间随机数，当该随机数小于C
dm
时，Ω
a
中原网格即转为团聚体内小孔隙网格；S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周殷康，邹勇，项国圣，谢胜华，胡志杰，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：