非织造土工织物的渗透性能研究

论文摘要

非织造土工织物是一种极具生命力的土建工程材料,被广泛应用于防治荒漠化、水土保持、增加植被、水利建设等,这些应用都需要土工织物具有良好的渗透性能。以往的渗透模型包含有经验常数,涉及到的结构参数少,本文在分形理论的基础上,根据Darcy定律和Hagen-poiseulle方程,建立了非织造土工织物结构参数与其垂直渗透系数之间的数学模型,并求解模型中的各个参数。非织造土工织物中的纤维随机分布,孔隙形状与大小各不相同,孔道复杂多变,用传统几何很难进行描述与计算,而各种测量孔隙大小及孔道形态的实验费时费力并且对试样具有不可恢复的破坏。本文采用Poisson Polyhedron理论分析探讨了非织造土工织物的结构与其孔径分布的关系,求取了最大孔径,结合分形理论,利用Matlab语言进行编程,对纤维网的截面图像进行处理,根据Sierpinski地毯法求解孔隙的面积维数Df,在毛细管模型的基础上,根据非织造土工织物的表面形态二值图像用Matlab语言进行编程,模拟了流体通过非织造土工织物的孔道,并采用计盒法求解孔隙的弯曲维数DT。此模型的优点一是没有经验常数,涉及描述非织造土工织物结构特征的多个参数,如非织造土工织物平方米克重μg、厚度Tg、纤维平均线密度Ndt、纤维密度ρf、通道代表性长度L0、横截面积A、毛细管直径λ、孔隙的面积维数Df、孔隙的弯曲维数DT;二是首次通过纤维网的表面形态二值图像与毛细管理论相结合,模拟了纤维网的纵向孔道。理论模型与试验结果的比较表明,该分形模型可以很好地预测非织造土工织物的渗透率。与人们熟知的Kozeny-Carman方程相比,消除了经验常数,因此应用分形理论和方法来研究纤维集合体的渗透率更具优越性。将分形理论应用于非织造土工织物,为开发高性能高品质的非织造土工织物提供了理论依据,也为非织造布的研究开辟了一条新途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 渗透性能的研究方法
• 1.3 渗透率性能的国内外研究现状
• 1.4 研究的目的及意义
• 1.5 研究的主要内容
• 第二章 纤维网分形维数
• 2.1 分形的定义
• 2.2 分形维数的分类及测定
• 2.3 非织造纤维网中的分形
• 2.4 小结
• 第三章 非织造纤维网的渗透性分形模型
• 3.1 模型成立的条件
• 3.2 分形模型的建立
• 3.3 截面面积A的求解
• max的求解'>3.4 最大孔隙直径λ_max的求解
• ?的求解'>3.5 孔隙面积维数D_?的求解
• ?的求解'>3.6 孔隙弯曲维数D_?的求解
• ?、D_T求解结果'>3.7 D_?、D_T求解结果
• 3.8 小结
• 第四章 渗透性能理论的实验验证
• 4.1 基本结构参数测试
• 4.2 渗透性能理论实验验证
• 4.3 与现有渗透性能理论研究的对比
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录一 盒维数的Matlab程序
• 附录二 Sierpinski分形维数的Matlab程序
• 附录三 模拟弯曲毛管并求其维数
• 攻读硕士期间发表论文及申请专利情况
• 致谢