一种计算沥青混合料界面热阻和界面热导系数的方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，特别地，涉及一种计算沥青混合料界面热阻和界面热导系数的方法。

背景技术

沥青路面除了受到交通荷载的作用，不同时间(一天之内白天热、夜间冷；一年之内夏季炎热，冬季寒冷)的温度差所引起的应变对于路面性能也至关重要。此外，温度分布在路面结构的整个厚度上变化；例如，路面的顶部是温暖的，路面的底部是相对冷的，并且在夜间，路面的顶部比路面的底部更冷。在低温下，沥青路面产生局部应力。当应力超过材料的断裂强度时，引起沥青路面中热裂纹的产生。在高温下，与交通荷载相耦合的热应变引起沥青路面的车辙或永久变形。在实际领域中，温度在整个白天变化，并且在一天的某些部分，路面由于低温而经历收缩，并且路面的某些部分由于高温而经历膨胀。因此，研究路面的温度效应对于沥青路面的可持续设计和施工是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算沥青混合料界面热阻和界面热导系数的方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种计算沥青混合料界面热阻和界面热导系数的方法，其特征在于，包括建立沥青混合料体系的界面传热模型，所述界面传热模型的构成为二氧化硅层-沥青层-二氧化硅层；所述界面传热模型的建立方法包括以下步骤：

(1)、在沥青层的热传导方向也即z方向的两端各构建一个二氧化硅层，形成沥青混合料体系；

(2)、沿z方向，在所述沥青混合料体系的两端各设置一个固定约束层，所述固定约束层均属于二氧化硅层的一部分；

(3)、将靠近一个所述固定约束层的一定长度的二氧化硅层设置为热源区域，，将靠近另一个固定约束层的一定长度的二氧化硅层设置为热汇区域，并对所述沥青混合料体系从热源区域往热汇区域由高至低依次设置不同的温度，以形成温度梯度；

(4)、将沥青混合料体系在NPT系综下跑动，使整个体系达到初始平衡状态；

(5)、将沥青混合料体系在NVT系综下跑动，确保计算体系得到进一步的优化；

(6)、利用Langevin热浴法分别对热源和热汇区域进一步设置具体的温度，在NVE系综下跑动，所述沥青混合料热传递体系产生热流J；即形成了所述沥青混合料体系的界面传热模型。

进一步的，所述二氧化硅层的构建方法包括以下步骤：首先在Material Studio软件中导入二氧化硅晶胞；再在z方向切割二氧化硅晶胞，得到二氧化硅晶胞界面，同时将该晶胞界面的几何形状修正为正交形状；基于所述二氧化硅晶胞界面结构，在x方向和y方向重复二氧化硅晶胞单元，直到二氧化硅超晶胞在x方向和y方向的长度与所述沥青层的相应尺寸相等时，即获得二氧化硅超晶胞结构；在z方向添加用于隔绝所述沥青层与二氧化硅层分子间相互作用的真空层，得到最终的二氧化硅层结构。

进一步的，所述固定约束层的厚度为所述热源区域与热汇区域之间长度的8～12％，所述固定约束层中分子的应力、速度和位移均设为零。

进一步的，所述热源区域和热汇区域的厚度分别为所述热源区域和热汇区域之间长度的8～12％，整个所述沥青混合料体系沿z方向分为n块。

进一步的，所述沥青混合料体系在NPT系综下跑动1e6～2e6时步；在NVT系综下再跑动100ps；在NVE系综下跑动200ps；所述NPT系综中，x和y方向的压力p＝1.0atm。

进一步的，所述沥青混合料体系的x、y和z方向均采用周期边界条件，所有分子动力学模拟中都采用0.1fs的时间步长；Lennard-Jones势和库仑力的截断距离设为

进一步的，所述热流J的大小根据所述热源区域或所述热汇区域与系统恒温器之间能量的交换率dE/dt来计算，当所述沥青混合料体系达到稳定状态后，所述热流J的计算公式定义为：

其中S表示热传导方向的横截面积。

进一步的，所述系统恒温器的总能量与模拟时间呈线性关系，能量的交换率dE/dt等于拟合直线的斜率。

进一步的，模拟热流在所述界面传热模型内部的传递过程，得到所述界面传热模型在 z方向的温度分布图；并对所述温度分布图进行分析得出所述二氧化硅层与所述沥青层之间的界面的温度跃变值ΔT；界面热阻R为温度跃变值ΔT与热流J的比值：

界面热导系数G等于界面热阻的倒数，表示为：

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种计算沥青混合料界面热阻和界面热导系数的方法，通过建立沥青混合料体系的界面传热模型来表征沥青混合料分子结构，在Langevin方法的基础上，建立了沥青混合料系统不同温度下的热源和热汇区域，从而实现了热流的形成和传热过程的模拟。本发明能够为沥青混合料热性能的研究提供一条新的途径，有效促进路面材料在微观范围内的发展。本发明可用于不同导热性材料，如石墨、金属、碳纤维等的沥青混合料，研究材料对沥青混合料界面过渡区热力学性质的影响，以提高道路工程中路面的性能要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中沥青混合料体系的界面传热模型示意图；

图2是本发明中二氧化硅层的建立过程示意图；其中图2(a)是二氧化硅晶胞的示意图，图2(b)是二氧化硅晶胞界面的示意图，图2(c)是超晶胞结构的示意图，图2(d) 是二氧化硅层结构的示意图；

图3是本发明中界面传热模型非平衡态模拟示意图；

图4是本发明中温度为298.15K时，系统恒温器处于稳定状态下的能量与模拟时间的线性关系；

图5是本发明中沥青混合料体的温度分布图；其中图5(a)是沥青混合料体系x-z平面二维分布云图，图5(b)是非平衡态分子动力学模拟中，沥青混合料体系z方向(热传递方向)的温度分布；

图6是本发明中沥青混合料体系的能量变化示意图；其中图6(a)是界面热导系数随温度的变化图，图6(a)是三种模拟温度下，沥青混合料体系的原子径向分布函数随温度的变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实施例提供一种计算沥青混合料界面热阻和界面热导系数的方法，包括建立沥青混合料体系的界面传热模型。如图1所示，界面传热模型的构成为二氧化硅层-沥青层-二氧化硅层；其中，沥青层为12成分沥青分子模型。结合参见图2和图3，界面传热模型的建立方法包括以下步骤：

1、在沥青层的热传导方向也即z方向的两端各构建一个二氧化硅层，形成沥青混合料体系；其中，构建二氧化硅层具体包括：首先在Material Studio软件中导入如图2(a)所示的二氧化硅晶胞(晶胞表征晶体内部原子在空间上的分布)，晶胞参数为

2、沿z方向在沥青混合料体系的两端各设置一个固定约束层；其中，固定约束层中分子的应力、速度和位移均设为零，以确保整个沥青混合料体系在后续非平衡态分子动力学模拟过程中的稳定性；固定约束层的厚度为热源区域和热汇区域之间长度的10％。

3、将靠近一个固定约束层的一定长度的二氧化硅层设置为热源区域，将靠近另一个固定约束层的一定长度的二氧化硅层设置为热汇区域，并对沥青混合料体系从热源区域往热汇区域由高至低依次设置不同的温度，以形成温度梯度。其中，热源区域和热汇区域的厚度均为热源区域和热汇区域之间长度的10％。

4、在非平衡态分子动力学模拟中，首先将沥青混合料体系在NPT系综下跑动1e6时步，使整个沥青混合料体系达到初始平衡状态；T为目标计算温度，x和y方向的压力 p＝1.0atm。接着，将沥青混合料体系在NVT系综下跑动100ps，确保计算体系得到进一步的优化。然后，利用Langevin热浴法分别在热源和热汇区域具体设置具体的温度值，如模拟298.15K下沥青混合料体系的界面传热行为时，热源区域设置为500K，热汇区域设置为100K，在NVE系综下跑动200ps，沥青混合料热传递体系产生热流J。

在本发明较佳的实施例中，沥青混合料热传递体系的热流J的大小根据热源或热汇区域与系统恒温器之间能量的交换率dE/dt来计算。当整个沥青混合料体系达到稳定状态后，热流J的计算公式定义为：

式1)中S表示热传导方向的横截面积。

结合参见图4，系统中恒温器的总能量(等于热源区域和热汇区域能量的平均值)与模拟时间呈线性关系，而能量的交换率dE/dt等于拟合直线的斜率。

结合参见图5，其中图5(a)是沥青混合料体系x-z平面内的温度分布，图5(b)是沥青混合料体系z方向(热传递方向)的温度分布。由图5(a)可以看出固定区域的温度为0K，热源区域的温度约为500K，热汇区域的温度约为100K，整个沥青混合料体系的温度由热源区域向热汇区域逐渐降低，x-z平面内的温度分布也与分子动力学模拟中热流的产生过程一致。由图5(b)可以看出沥青层和二氧化硅层的界面出现了温度跃变值ΔT，温度跃变值与表征界面传热的重要指标界面Kapitza热阻R有关。

在本发明较佳的实施例中，通过模拟热流在界面传热模型内部的传递过程，得到界面传热模型在热传导方向的温度分布图，并对温度分布图进行分析得到二氧化硅层和沥青层的界面的温度跃变值ΔT；界面热阻R为温度跃变值ΔT与热流J的比值：

界面热导系数G等于界面热阻的倒数，表示为：

在本发明较佳的实施例中，沥青混合料体系的x、y和z方向均采用周期边界条件，所有分子动力学模拟中都采用0.1fs的时间步长；Lennard-Jones势和库仑力的截断距离设为

在本发明较佳的实施例中，热源区域和热汇区域的能量、体系总的动能和温度分布等相应的计算结果每10000时步输出一次。本实施例对沥青混合料在298.15K下界面传热的三次独立模拟结果，如表1所示。常温下，能量的交换率为17.72Kcal/mol/ps；并且，由于模拟的随机性，温度跃变值ΔT在89K和99K之间变化；热流J和Kapitza热阻R分别稳定在8.75×10

表1温度为298.15K时，沥青混合料独立模拟结果

如图6(a)所示，界面热导系数G从298.15K时的9.5×10

如图6(b)是298.15K、400.15K和533.15K三种模拟温度下，沥青混合料体系的原子径向分布函数g(r)。由图6可以看出，沥青混合料的径向分布函数在不同的温度下有很小的差异。当温度从298.15K升高到533.15K时，原子运动变得更强烈，原子离平衡位置更远，导致最高峰值在5.0-4.2之间变化。前两个峰值分别代表二氧化硅分子在热源区域和热汇区域的局部分布。由于沥青分子与二氧化硅的晶体结构相比是呈现聚集状态，因此第三个峰代表了沥青分子，峰值约为3.0。整体来看，这三条曲线的趋势是完全一致的，说明沥青混合料体系中的大部分原子在不同的温度下并没有发生明显的位置变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。