桩基砂土颗粒热传导-MatDEM三维随机热网络传导模型讲解

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导读：大家好，我叫王飞，湖南大学土木工程学院博士研究生，师从费文斌教授。作为2025MatDEM奖学金获得者代表，非常荣幸能在仿真秀平台分享我的学习经验。MatDEM是一款优秀且便捷的模拟软件，为我的博士研究提供了极大帮助。在此，感谢仿真秀平台、南京大学刘春老师及其MatDEM团队给予的支持。6月20日20时30分，我将与各位老师、同学分享和交流MatDEM离散元软件的学习与应用经验，欢迎大家共同探讨。

一、研究背景

能源桩技术将建筑桩基同时用作地热换热器，其结构-土体界面的热交互效应属于典型的热传导问题。桩体与周围土体的热通量传递速率取决于土体导热系数及接触热阻特性。设计时需评估周期性热荷载下桩-土体系的热变形协调性，避免因温度梯度导致桩身附加应力超限或土体收缩裂缝。此外，需分析群桩系统因热干涉引起的区域性地温场变化对系统效率的潜在制约。因此，研究砂土颗粒的热传导特性十分有必要。

图1 能源桩工作示意图

二、建立模型

岩土材料通常包括固体和流体两相，其中流体相包括液体和气体成分。对于完全饱和和干燥的砂土来说，颗粒之间的热传导路径可以分为两类：固-固路径、固-流-固路径（如图2）。对于接触粒子，两颗粒中心的连线为固-固传导路径；对于具有间隙的非接触颗粒，且间隙距离小于0.5倍等效半径的两相邻颗粒，它们中心的连线即为固-流-固路径。根据这一规则，我们就可以建立如图所示的热传导矩阵（图3）。

图2 热传导路径

图3 热传导矩阵

三、模拟结果

本研究首先通过一维传热方程来检验导热网络模型的正确性。图4a描绘了一个由颗粒组成的长杆，其中初始边界条件设置为两端0 K，其余位置100 K。图4b给出了解析解与数值解的对比。很明显，在任何时间和任何长度，两种解的温度紧密一致，但数值解略小于解析解。原因是数值解考虑了空气传导分量，相对于解析解有更高的换热速度。

图4 模型验证

然后本研究模拟了立方体土样的热传导过程，顶部边界和底部边界分别为5K和1K的恒温（图5）。

图5 立方体试样传热模拟结果

四、学习心得

1、对于初学者，至少建议精度3个案例代码，明白每一行代码的运作逻辑和作用，模仿或修改案例代码，完成自己的模拟。

2、对于有一定基础的同学，建议学习一些MATLAB矩阵运算相关的函数，尝试编写自己的MatDEM函数。

3、对于打算用MatDEM发TOP期刊（例如CG，更高级别的期刊没发过，不敢建议，哈哈哈哈哈）的同学，建议多研读关于离散元算法方面的论文，多复现别人的论文，从别人的算法和论文里汲取灵感，来完成自己的研究。

五、2025MatDEM奖学金讲座

为了助力离散元技术的发展和应用、推动MatDEM用户之间的交流与学习，自2025年6月13日起，正式启动，我们邀请了3位不同研究领域的获奖同学来进行讲座，届时更多同学将在仿真秀平台分享国产MatDEM离散元软件在科研和工程案例中的应用，与大家共同探讨、一起进步。

6月20日20时30分，“2025MatDEM奖学金-线上讲座”将邀请湖南大学王飞博士在仿真秀官网和APP公开直播《三维随机热网络传导模型讲解》,介绍基于MatDEM的热网络模型复现、三维随机热网络模型的验证和运用等。欢迎大家识别下方二维码报名。

报告主题：三维随机热网络传导模型讲解

报告时间：6月20日20时30分

报告嘉宾：王飞博士湖南大学

王飞博士

湖南大学土木工程博士研究生，研究方向为散体材料的热力耦合特性，有近六年的MatDEM使用经验，基于MatDEM在《Computers and Geotechnics》上发表论文两篇。

研究内容：在能源桩换热、远程滑坡摩擦生热、核废料堆存放热等岩土工程问题中，均涉及到土颗粒间的热力耦合作用。本研究采用在MatDEM中构建了一个三维随机热网络模型去求解颗粒间的热传导过程。在该模型中，假设了热传导路径是由三维颗粒系统的骨架结构构成的，颗粒间的接触条件（如颗粒分离或重叠的程度）和颗粒半径决定了相邻颗粒之间的热导率。Gauss–Seidel 方法被用来计算线性系统中温度变化的演变过程。该模型不仅考虑了两颗粒接触时的热传导，同时还考虑了两颗粒在具有微小间隙时的热传导。

研究成果：

[1lWang, F., Li, w., et al. 2023. "Numerical simulation of biaxial undrained shear test based on fluid-solid coupling DEM method." computers and Geotechnics, 164.

[2]Wang, f, Li, w., et al. 2024. "Research on the static liquefaction failure of upstream tailings dams undercontinuous discharge conditions." computers and Geotechnics, 176.

报告内容：

1、三维随机热网络模型概述

2、基于MatDEM的热网络模型复现

3、三维随机热网络模型的验证

4、三维随机热网络模型的运用

5、技术交流和答疑

报名观看：请识别下方二维码查看，报名后支持反复回看，欢迎加入MatDEM软件用户交流群。

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