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研究生: 李人豪
Li, Jen-Hao
論文名稱: 紅外線熱影像與數值模擬於孔洞檢測之研究
A Study on the Detecting of Void by Infrared Thermography and by Numerical Simulation
指導教授: 李德河
Lee, Der-Her
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 150
中文關鍵詞: 紅外線熱影像數值模擬熱傳導
外文關鍵詞: thermography, numerical simulation, thermal conductibility
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  • 紅外線熱影像在非破壞性檢測的相關運用已不勝枚舉,且許多的研究結果都顯示出利用紅外線熱影像在混凝土堤防檢測是可行的,藉由數值模擬的相輔相成可以對紅外線熱影像有更多定性及定量的判譯,且可以對未知的環境及試驗結果作相當程度的解釋跟判譯。
    本研究首先以水泥砂漿版及砂來建構混凝土堤防模型,再於內部埋置低導熱性的發泡式聚苯乙烯塊模擬內部孔洞,以加熱器使砂箱有升降溫變化,以了解其熱傳特性。在砂箱試驗中發現:(1)下方有孔洞的水泥砂漿版之表面溫度較完整區域溫度為高;(2)相同深度中孔洞內部溫度高於無孔度路徑之相同深度溫度;(3)當孔洞深度越淺時,水泥砂漿版整體溫度會較孔洞較深者為高;(4)隨著孔洞深度的增加,在相同加熱時間下孔洞表面溫度與完整區域表面溫度差值最大( )出現的時間會延後發生。
    以有限元素分析軟體建構砂箱之數值模型,再利用砂箱試驗結果來率定熱學參數並修正數值模型使之符合砂箱之熱傳特性,以確定本文之砂箱試驗數值模型。爾後運用所建構之數值模型配合試驗水泥砂漿版表面溫度孔洞材質的熱學性質熱傳係數,並證明「密度與比熱容乘積」變化到某一程度時,將造成加溫段孔洞上方表面溫度會低於完整區域,最後並經由模擬得到孔洞截面積大小對表面溫度之影響大於孔洞體積所造成之結果。

    Thermography, a non-destructive testing technology, is more and more popular in detecting the defect of the concrete dike recently.
    Research results show that the numerical simulation can be help to have better qualitative and quantitative interpretation to the thermographical image under unknown environments and testing results.
    In this thesis, the concrete dike is made by sand and a cement plate as a sand box test in the laboratory. A polystyrene cube is put behind the plate as a hole in the dike behind the plate. In order to realize the thermal conductibility of the testing model, a heating apparatus is used. In the sand box tests, four phenomena are discovered: 1. The surface temperature of the cement plate above the hollow area is higher than that of the solid area, 2. At the same depth, the temperature in the cavity is higher that of the solid area, 3. The average temperature of the plate increases as the depth of cavity decreases, 4. The time showing the maximum temperature between the cement plate surface above the hollow area and the one of the solid area, ΔTmax , increases accompanying to the increasing depth of a hole.
    In addition, the numerical simulation model is created by the finite element method. The thermal parameters in the simulation are obtained from the sand box experiments. After that, the results of simulation model demonstrate that as the change of the product of density and specific heat capacity exceeding a critical value, the surface temperature of the hollow area will be lower than that of the solid area. Through the simulation, it is proved that the cross-section area of the cavity has more influence on the surface temperature than the volume of the cavity.

    摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 目 錄 VIII 表 目 錄 XIII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 研究內容 1 1-3 研究流程圖 3 第二章 文獻回顧 4 2-1 紅外線熱影像 4 2-1-1 紅外線熱影像的實際應用 4 2-2 土壤及混凝土熱傳導性質 15 2-2-1 影響土壤熱傳導性質之原因 15 2-2-2 影響混凝土熱傳導性質之主要因素 16 2-3 有限元素法在熱傳遞分析上之探討 20 第三章 相關理論 22 3-1 紅外線熱影像 22 3-1-1 熱影像成像原理 22 3-1-2 輻射溫度與真實溫度 24 3-2 熱傳遞基本理論 26 3-3 暫態熱傳導係數量測方法-熱探針法 30 3-4 有限元素法在熱傳遞之理論 33 3-4-1 能量守恆 33 3-4-2 基本定義 33 3-4-3 邊界條件 35 3-4-4 有限元素解析 35 3-4-5 時間積分 36 第四章 試驗儀器與方法 39 4-1 試驗儀器 39 4-1-1 紅外線熱影像儀 39 4-1-2 加熱器 41 4-1-3 溫度資料擷取系統 46 4-2 試驗準備 48 4-2-1 水泥砂漿版澆置 48 4-2-2 砂箱規格 49 4-2-3 填砂方法 51 4-2-4 模擬孔洞 52 4-2-5 熱傳導係數量測 53 4-3試驗設計 55 4-3-1 無孔洞砂箱試驗 57 4-3-2 有孔洞砂箱試驗 57 4-4 試驗結果 59 4-4-1 不同加熱時間對深度及表面溫度之影響 59 4-4-2 有孔洞與無孔洞之水泥砂漿版表面溫度差異 61 4-4-3 孔洞內溫度 64 4-4-4 孔洞深度對表面溫度的影響 66 4-4-5 孔洞與完整表面達溫度差最大( )時間比較 70 4-5 砂箱試驗結論 76 第五章 數值模擬方法 78 5-1 ABAQUS簡介 78 5-2 非耦合熱傳分析-暫態分析 80 5-3 參數給定 82 5-3-1 網格及時間增量收斂性檢定 82 5-3-2 材料熱學參數及邊界條件的給定 85 5-3-3 數值模擬模型 90 5-4 模擬結果 91 5-4-1 不同加熱時間對表面溫度及影響深度之影響 92 5-4-2 有孔洞與無孔洞表面溫度差異 96 5-4-3 孔洞內溫度 104 5-4-4 孔洞深度對表面溫度的影響 104 5-4-5 孔洞與完整表面達溫度差最大時間比較 104 5-5 室內試驗與數值模擬結果比較 108 5-5-1 完整溫度-時間曲線比較 108 5-5-2 孔洞內溫度 108 5-5-3 表面溫度與孔洞深度之關係 115 5-5-4 出現時間 116 5-5-5 熱影像圖與模擬結果之比較 117 5-6 結論 118 第六章 數值模擬之應用 119 6-1 孔洞深度預測 119 6-2 孔洞材料性質對水泥砂漿表面溫度的影響 121 6-3 熱源的影響深度 126 6-4 孔洞體積與面積對表面溫度的影響127 第七章 結論與建議 128 7-1 結論 128 7-2 建議 129 參考文獻 130 附錄 133 自述 150

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