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氯离子侵蚀对混凝土结构耐久性造成极大的危害,研究混凝土中氯离子输运机理,建立合理的计算模型并实现相关计算,对于提高混凝土结构耐久性设计水平,完善混凝土结构寿命预测与评估方法具有重要意义。本文研究输运问题的无网格边界元算法,进而模拟氯离子在混凝土中的输运过程与浓度分布。主要研究内容和方法如下:
●调研了氯离子输运问题的国内外研究现状。
从氯离子侵蚀混凝土结构的工程案例入手,介绍了氯离子侵蚀混凝土的途径和机理,对氯离子在混凝土中输运问题的研究方法和研究现状进行了综述。
根据氯离子输运方式的不同,分别介绍了几种常用的饱和混凝土和非饱和混凝土的氯离子侵蚀计算模型。本文探讨的计算模型正是在这些模型基础上修正建立的。
●总结了无网格边界元法的基本理论。
首先简述边界元方法的发展历史和研究领域,然后详细描述边界元法的基本思想和求解过程,最后介绍了“无网格”的实现方法-径向积分法。作为一种区域积分转化技术,本文采用的径向积分法具有无需划分内部网格,内部点布置灵活,无需特解,适用性广泛,计算精度高等优点。
●探讨了如何采用无网格边界元法实现氯离子输运问题的数值计算。
分别推导了饱和混凝土和非饱和混凝土中氯离子输运问题的边界积分方程,构建了相应的无网格边界元算法,详细说明如何采用径向积分法消除非稳态、材料非均质、材料非线性等原因造成的区域积分项,并编写了相关计算程序。计算结果显示:对于饱和混凝土,本文建立的非稳态无网格边界元法能够精确计算非均质问题,在求解扩散系数随时间变化和随浓度变化的非线性扩散问题时,本文给出的结果更符合实际;对于非饱和混凝土,本文建立的方法可以同时考虑水分渗透和浓度扩散对氯离子输运的影响,计算结果表明水分渗透对氯离子输运具有促进作用。
●采用FORTRAN语言编制了相关算法的计算程序。
针对混凝土中氯离子输运问题的边界元算法,采用FORTRAN语言编制了相应的计算程序,算例验证表明编制的程序具有较高的精度和可靠性。利用编制的程序求解了几类典型离子输运问题,表明自编程序能应用于多种氯离子输运模型,具有较高的灵活性与适应性。编写的程序首次实现了将无网格边界元法应用于考虑渗流和扩散耦合的输运问题,为模拟非饱和混凝土中氯离子的浓度分布和预测混凝土结构的寿命提供了重要的理论依据。这种关于渗流和扩散耦合的求解技术,现有的商用软件尚无法实现,因此本文编写的非饱和混凝土计算程序具有较高的学术价值。