基于 XRCT 数值模拟透水路面混合料在现场和实验室的渗透特性

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一、概述 透水路面混合料的排水能力通常使用变水头渗透仪在远高于现场预期的水头下测量。在实验室中准确评估渗透性对于避免排水性能的严重高估或低估至关重要,这将会影响设计参数如孔径、出水管和排水系统,以及选择适当的级配和厚度,这些因素直接影响路面的成本和现场预期功能。 计算流体动力学(CFD)和基于 X 射线计算机断层扫描(XRCT)建模的最新研究进展则消除了保持较低水头的实验室挑战。然而,数字图像处理(DIP)和有限体积模拟中的不当表征会导致渗透率测量和流体流动行为的显著误差。过往研究确定了在透水路面混合料中遵循 Izbash 和 Forchheimer 定律的非达西流体流动特性,本研究通过使用先进的基于 XRCT 建模方法比较不同实验室和现场水头下的达西和非达西渗透参数,有助于更好地理解目前实验室测量的局限性,为开发更精确的渗透仪或更好的路面排水设计提供新的见解。 二、亮点 开发可以模拟现场水力梯度下流体流动特性的数值模型 比较实验室和现场水头下的达西和非达西渗透参数 由适当的 DIP 算法和速度获得雷诺数表征流体流动状态特性 三、试样制备和实验 使用单一尺寸和密级配骨料制备三种不同的圆柱形透水混凝土混合物试样,记为 P1、P2 和 P3。每种试样有三个,如表示为 P1-1、P1-2、P1-3。混合物中包含粗骨料、I 型水泥、高效减水剂,水灰比为 0.3。 表1:不同试样的骨料级配 采用 ASTM C1754-12 标准测定透水混凝土试样的有效孔隙率。使用变水头渗透仪测定非达西渗透系数和流动指数,施加从 150 到 25 mm的上游水头并保持恒定的下游水头,通过测量和分析流速获得渗透参数。 四、模拟 4.1 扫描和图像处理 采用西门子 Somatom Emotion 医用 X 射线 CT 扫描设备获得透水混凝土图像,体素尺寸为 0.326 × 0.326 × 0.7 mm。将扫描数据导入 Simpleware 软件进行图像处理,基于阈值分割透水混凝土试样的固体相和孔隙相,在 Simpleware FE […]

润湿性和初始金属成分对熔融金属渗透碳质耐火材料过程的影响

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概述 钢铁产量中近 70% 来自采用高炉(BF)工艺生产的生铁,因此钢的成本很大程度上取决于 BF 的寿命。由于耐火材料的劣化,BF 的寿命有限,特别是聚集着液态金属的高炉炉膛中使用的耐火材料。设计更具有适应性的新型耐火材料需要全面了解工作过程中发生的劣化机制,而各种机制都取决于耐火材料的孔隙结构,并受到多孔介质中传输的限制。 本项目基于 X 射线计算机断层扫描(XCT)获得 3D 孔隙结构,开发并测试了一种耐火材料中熔融金属渗透的演化模型。假设等温渗透,材料中存在的相具有不同的润湿性且碳相选择性溶解,分析不同初始熔融金属成分和各种润湿条件对渗透过程演变的影响。 试样准备 微孔碳材料由 Tokai COBEX 公司生产,主要原料是人造石墨粒、人造半石墨粉、硅粉和氧化铝粉,煤焦油沥青为粘结剂。固体颗粒与粘结剂的比例为3.64:1。将混合原料成型为 2500 × 700 × 500 mm3 的块体,在标准环形炉内还原气氛下烘烤,从制成样品中切割直径和高均为 10 mm的圆柱体作为试样,采用 XCT 进行分析。 准备三种类型的基材用于润湿性测量:石墨(G)、氧化铝(A)和碳化粘结剂(B),全部由用于生产微孔碳材料的相同原材料制备。为获得样品的各种化学成分,准备生铁废料、化学纯铁、工业纯铁、化学纯锰和两个对照熔体,分别表示为:M2C、M3C 和 M4C。为验证化学成分,在每次熔炼后使用 Foundry-Master 光谱仪分析铸铁样品的化学成分。 表1:用于润湿性测量准备的粗铁成分(wt%) 数据处理 使用 Nanotom 180S 设备(GE)进行 XCT 扫描,将原始图像数据裁剪为 1.25 × 1.25 × 1.25 mm3 的立方体,导入 Simpleware ScanIP 软件进行图像处理。基于灰度值分割为 5 个不同的相:碳化粘结剂(棕色)、石墨(蓝色)、氧化铝(绿色)、开孔(红色)和闭孔(黄色),其中使用 Flood Fill 3D 算法工具识别开孔。 图1:XCT 数据处理过程:(a)实测数据(b)裁剪数据(c)分割数据 在 Simpleware FE 模块采用 […]

利用微观结构模型评估受电弓滑板的材料性能

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概述 铁路所使用的摩擦材料如受电弓滑板和车轮踏面制动器,大多都由复合材料制成。而复合材料的宏观性能在很大程度上取决于其几何微观结构,如尺寸、形状和成分的分布。传统的铁路材料倾向于通过试错进行试验开发。为更有效地改进和开发材料,可通过数值仿真研究材料微观结构与宏观性能间的关系。 本项目利用 X 射线计算机断层扫描技术开发了一种基于图像的浸金属碳微观模型,通过均质化方法评估其杨氏模量、热导率和电阻率,计算分析应力、温度和电流密度的分布。 图像处理 本研究所用受电弓滑板的材料为浸金属碳(PC78A),由多孔碳与铜浸渍制成,认为几乎是各向同性。 表1:PC78A 的材料性能和各成分的体积分数 使用 Bruker SkyScan 2211 CT 扫描设备获取 PC78A 的微观结构,导入Simpleware 软件进行图像处理。为缩短图像处理时间,先将像素间距从 1 μm 调整为 3 μm,采用中值滤波器去除脉冲噪声。 图1:CT 扫描获得的图像数据 裁剪边长为 600 μm 的立方体(模型 600)作为感兴趣区域,基于灰度值将图像分割为铜、碳和空隙。考虑到后续产生网格单元的数量和计算资源,将空隙区域体素小于 10 和铜中体素小于 50 的部分重新划分为碳的区域。按照不同位置将模型 600 分为 8 个边长为 300 μm 的立方体(模型 300①-⑧)。在 Simpleware FE 模块为所有模型 300 生成高质量的网格模型。 图2:模型 600 中不同模型 300 的位置关系 图3:图像分割结果和生成的网格模型 将模型 600 与模型 […]

 
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