(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210880678.8 (22)申请日 2022.07.25 (71)申请人 湖北工业大 学 地址 430068 湖北省武汉市洪山区南李路 28号 (72)发明人 刘一鸣　杨柳　肖衡林　马强　 陈智　李丽华　李文涛　裴尧尧　 周鑫隆　余汉龙　窦慧茹　高翔　 虞海兵　蔡凡　刘力　 (74)专利代理 机构 武汉宇晨专利事务所(普通 合伙) 42001 专利代理师 余晓雪 (51)Int.Cl. G06F 30/25(2020.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 30/23(2020.01) E01C 11/26(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 道路融雪化冰的数值模拟分析方法 (57)摘要 本发明属于计算机数值模拟技术领域， 涉及 一种基于C FD‑DEM耦合模型的道路融雪化冰的数 值模拟分析方法， 包括： 1） 生成相应的颗粒组成 离散元道路模 型， 并对该模型赋予混凝土及沥青 不同的微观力学参数和热力学参数； 2） 建立冰模 型并设置冰参数， 建立冰模型中控制体积的非定 常数传热方程， 利用液体分数β表 示热传导过程 中控制体积中以液体形式存在的比例； 3） 更新液 体分数β， 并以更新后的液体分数β的值来确定 冰模型体积的变化， 根据该变化为道路融雪化冰 分析提供依据。 本发明提供了一种能在不同的条 件下制定关于道路融雪化冰的最优控制及解决 策略的道路融雪化冰的数值模拟分析方法。 权利要求书3页 说明书6页 附图1页 CN 115293015 A 2022.11.04 CN 115293015 A 1.一种道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述道路融雪化冰的数值模 拟分析方法包括以下步骤： 1)利用离散元软件设定道路模型的尺寸参数， 根据尺寸参数和试样颗粒级配， 生成相 应的颗粒组成离散元道路模型， 并对离散元道路模型赋予混凝土及沥青不同的微观力学参 数和热力学参数； 利用离散元软件中内嵌的热模块程序， 基于设置的微观力学参数和热力 学参数， 将离散元道路模型中每个颗粒视为热传导过程中的热量储存器， 并计算离散元道 路模型内颗粒系统的温度变化和热量传递情况； 2)利用计算流体力学OpenFoam软件在离散元道路模型的上表面建立冰模型并设置冰 参数， 同时对冰模型进 行网格划分； 根据焓值法求解满足热量和质量平衡条件的移动边界， 建立冰模型中控制体积的非定常数传热方程， 利用液体分数β 表示热传导过程中控制 体积 中以液体形式存在的比例； 3)根据步骤1)所得到的离散元道路模型内颗粒系统的温度变化和热量传递情况， 记录 离散元道路模型上层沥青边界处颗粒 的温度变化和累积热量， 并通过单向耦合计算， 将离 散元道路模型上层沥青边界颗粒温度变化和累积热量作为边界输入条件输入OpenFoam软 件中， 利用步骤2)构建得到的控制体积的非定常数传热方程， 计算给定荷载时间内的热传 递， 更新液体分数β， 并以更新后的液体分数β 的值来确定冰模型体积的变化， 根据该变化为 道路融雪化冰分析提供依据。 2.根据权利要求1所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述步骤1) 中： 所述离散元软件是Yade离散元软件， 所述离散元道路模型包括上从上而下依次设置的 上沥青层、 下沥青层以及混凝土层； 所述上沥青层的厚度是h1， 所述下沥青层的厚度是h2， 所述混凝土层的厚度是h3， 所述h1＜h2＜h3； 所述离散元道路模 型中， 根据混凝土中的颗粒 以及沥青中的颗粒间的接触特点， 颗粒间的接触以平行黏结模型 连接度。 3.根据权利要求2所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述步骤2) 中， 所述网格划分是将冰模型划分为统一大小的计算单元， 计算每个计算单元内部的温度 变化及热量累积情况， 网格大小划分为离散元道路模型上层沥青界面最小直径颗粒的尺寸 大小。 4.根据权利要求3所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述步骤2) 中， 所述根据焓值法求 解满足热量和质量平衡条件的移动边界的具体实现方式是： 将焓作为一个因变量， 假设焓是温度的函数， 用焓与温度的关系来确定融化过程中冰 的温度； 其中温度 其中： 所述Tmelt是冰融化过程中冰开始达 到熔点时刻的温度； 所述Hsm为冰在熔点下的焓； 所述Hsm＝CpsTmelt； 所述Hlm为水在熔点下的焓； 所述Hlm＝CpsTmelt+L；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115293015 A 2所述H为冰的总体焓量； 所述Cps为恒压下冰的比热容； 所述Cpl为恒压下 水的比热容； 当H<Hsm时， 冰还未达到熔点， 未开始融化； 当Hsm<H<Hlm时， 冰达到熔点， 整体还未融化， 当H＝Hlm时达到融化临界点； 当H>Hlm时， 冰开始融化。 5.根据权利要求4所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述步骤2) 中所述冰 模型中控制体积的非定常数传热 方程的表达式是： 其中： 所述j表示在openfoam里 所建立的冰 模型的层面； 所述x、 y以及z分别是空间坐标 下X方向、 Y方向以及Z方向； 所述ρ 为冰的密度； 所述Cp为恒压下冰的比热容； 所述k为冰的导热系数； 所述T为冰的温度； 所述Q为热源量； 所述冰模型中控制体积的非定常数传热方程表示在X方向、 Y方向以及Z方向的热传导 与局部产热之和的能量积累率。 6.根据权利要求5所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述冰模型 中控制体积的非定常数传热 方程在冰层内的函数表达式是： 其中： 所述Hice是冰的焓量； 所述T是冰的温度； 所述Kxice、 Kyice、 Kzice分别是冰 模型空间坐标中x、 y、 z方向上的导热系数； 所述t是计算时间。 7.根据权利要求6所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法， 其特征在于： 所述液体分 数β 的定义 为： 其中： 所述T＜Tmelt时， 所述冰处于未融化状态； 所述T＝Tmelt时， 所述冰处于冰水糊状 状态； 所述T＞Tmelt时， 所述冰处于 完全融化状态；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115293015 A 3