堤坝集中渗漏温度场探测模型及数值实验

论文摘要

针对以往温度场探测堤坝集中渗漏研究之不足，着重独立地运用温度场，高度模型化，高度定量化探测堤坝集中渗漏研究。并从简单到复杂、系统分析和研究该问题：从稳态到瞬态、从一维到多维、考虑渗流影响、不同边界类型、运用回归和优化分析方法以及进而采用优化设计完成复杂问题的优化达到探漏的目的。本文主要工作如下： 1)依照本研究领域的发展历史，把以往的研究分为三个阶段，其发展趋势是朝着定量和数值方法计算的方向，从而确立了本文的建立数学模型、理论推导和数值计算为工作方向和目标。也说明在科学研究中，考察研究领域的研究背景是有必要的。 2)借鉴已有的理论和方法，提出了温度探测集中渗漏的理论和方法，其包含了两个基本过程——正分析和反演。为以后章节建立数学模型和计算提供理论和方法。 3)建立了稳态温度场探漏模型以及更实用的修正模型。从稳态温度场探漏模型研究、数值实验和工程应用来看，利用稳态温度场探测集中渗漏是有效的手段。并且相对其它方法其优点是模型最简洁，计算量小，稳定程度高。由于考虑因素不多和诸多的简化，实践中的误差可能比较大。 4)建立了瞬态温度场探漏模型。瞬态温度场探测集中渗漏，不但计算模型复杂，由于增加了回归变量，计算不如稳态温度稳定，距离的和时间的探测相对通道方位精度要低。 5)鉴于瞬态探漏的不稳定性，建立了有渗漏影响的稳态温度场探漏模型。研究结果表明，渗流对稳定温度场的分布有很大的影响。受渗流影响，离渗漏通道相同距离的温度曲线已经完全不同。数据和渗流的相对位置将严重影响探测渗漏的有效性和精度。 6)由于解析解的局限性，对难以得到解析解的问题，提出了数值优化方法研究堤坝渗漏。并建立了该方法的概念性模型，详细论述了实现之具体方法和步骤。 7)最后，给出了本研究领域最终要达到目标——温度场探测集中渗漏仿真模型。其中建立了多渗漏通道温度探测模型，工程实例表明了该模型十分有效。 总之，本文提出利用温度场研究探漏的理论和方法，建立不同情形下的数学模型，理论推导了诸多模型的解析解，为实现各种模型反分析奠定了基础。基于MATLAB编制了回归和优化程序。对典型的模型进行了数值实验，利用圆柱状稳态轴对称模型做了工程实践。进一步提出针对复杂边界和初始条件，甚至是非线性模型及耦合模型都能解决的数值优化方法。为本领域研究打开了广阔的前景。最终提出了该模型研究的仿真模型和工程应用研究的目标——专家系统。即做了大量的实际工作，同时又从整体上确立了进一步系统研究本领域的轮廓及整体规划。

论文目录

• 前言
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 堤坝渗漏探测方法概况
• 1.3 温度探测渗漏研究现状
• 1.4 温度探漏相近领域的研究现状
• 1.5 本文主要内容
• 第二章 温度场探漏的原理与方法
• 2.1 堤坝温度分布特征
• 2.2 温度场示踪原理
• 2.3 温度场探测集中渗漏的方法
• 2.3.1 正分析
• 2.3.2 反问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 稳定温度场探测堤坝渗漏
• 3.1 岩土体稳态热传导模型
• 3.1.1 面状集中渗漏探测模型
• 3.1.2 圆柱状渗漏通道热传导模型
• 3.2 反分析
• 3.2.1 一维面状集中渗漏
• 3.2.2 二维面状模型
• 3.2.3 柱状渗漏通道温度场反演
• 3.3 数值实验
• 3.4 工程应用
• 3.4.1 修正模型
• 3.4.2 工程应用实例
• 3.5 本章小结
• 第四章 瞬态温度场探测集中渗漏
• 4.1 热传导模型
• 4.1.1 一维面状有限大传热模型
• 4.1.2 二维面状瞬态传热模型
• 4.1.3 圆柱状集中渗漏瞬态传热模型
• 4.2 反分析
• 4.3 数值实验
• 4.3.1 数值模拟
• 4.3.2 反分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 考虑渗流的集中渗漏温度场探测
• 5.1 常渗流作用下的传热模型
• 5.1.1 一般问题的数学模型
• 5.1.2 面状集中渗漏稳态问题
• 5.1.3 圆柱渗漏简化边值后的解析解
• 5.1.4 回归分析
• 5.2 数值实验
• 5.2.1 一维面状稳态模型
• 5.2.2 圆柱集中渗漏通道
• 5.3 本章小节
• 第六章 基于数值优化的温度探漏
• 6.1 传热模型
• 6.2 浸润线和渗出点的确定
• 6.3 温度探漏数值优化方法
• 6.4 渗流场与温度场的理论相似
• 6.5 生死单元应用及网格自适应剖分
• 6.6 数值计算的流程
• 6.7 本章小节
• 第七章 温度场探漏仿真模型初步
• 7.1 仿真边界条件
• 7.2 动态多耦合研究
• 7.3 建立三维模型
• 7.4 多通道探测
• 7.5 探测数据的修正
• 7.6 专家系统的建立
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间参加的研究项目
• 致谢