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研究生: 劉俊男
Liou, Jiun-nan
論文名稱: 數值模擬與紅外線熱影像於混凝土版後方孔洞檢測之研究
Detecting the Voids behind the Concrete Covers by Numerical Simulation and Infrared Thermography
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: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 123
中文關鍵詞: 紅外線熱影像熱傳遞
外文關鍵詞: Heat Transform, IR- thermophy
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  • 非破壞性檢測是指不破壞受測物的情況下,利用儀器檢驗與量測物體缺陷或性質的技術,如紅外線熱影像乃藉擷取物體表面輻射溫度判斷受檢物狀況的非破壞檢測法。當受測物內部有孔洞時,由於外在熱量的改變使物體表面呈現不同的輻射溫度變化情形,而得以瞭解孔洞存在情形。然而以此法檢測內部孔洞時雖然快速方便,卻不容易找出孔洞實際尺寸及深度。若能配合數值模擬來得到更多定性、定量的資訊,將可對未知的檢測環境做預測或對檢測結果作更明確的判釋。
    本文即嘗試以模型試驗結合數值模擬結果來進行紅外線熱影像對混凝土版下方孔洞檢測之研究,使用混凝土版與砂箱建立試驗模型,內置發泡式聚苯乙烯為模擬孔洞,進行不同加熱時間與深度試驗,並同時進行數值模型的建立與修正使其與試驗模型結果達到一致性。再將完成之數值模型,模擬不同材質、尺寸的孔洞以及施以不同的加熱時間、深度及加熱源之情況下,孔洞存在所造成混凝土版表面溫度的變化,並嘗試建立檢測流程來判斷孔洞尺寸。
    由模擬結果可發現下列幾點:
    1.孔洞溫度與周圍砂之熱傳性質息息相關,孔洞熱傳係數較砂大時會造成孔洞前方的混凝土版表面溫度較高,反之則較低。
    2.連續加熱三小時,保麗龍孔洞之|△T|上升至80分鐘後開始降低,水泥砂漿孔洞|△T|在100~200分鐘後開始降低。
    3.孔洞溫差絕對值與孔洞截面積成正比,但與埋設深度成反比。
    4.砂箱尺寸放大,只要孔洞尺寸不改變,溫差值不受其尺寸效應影響

    Non-Destructive Testing (NDT) is a testing method for detecting and measuring the qualities or defects of objects, such as thermography, ground penetrating radar, etc. Thermography, one of the NDT methods, evaluates the subject according to the surface temperature of the subject. As the object has a void inside, the surface temperature of the void will differ from the solid area at the same specimen. The void can be distinguished by the surface temperature difference. Although thermogrophy is convenient for detecting the inner void of the material, it is not easy to detect the exact size and depth of the void. The information of the surface temperature variation associated with the size and depth of the void and the environment conditions, such as the heat source and the environmental temperature, is deficient in the evaluation process. By using the numerical simulations to obtain the information of exact qualities and quantities that can make the results of detection clearly.

    Therefore, this thesis tried to find the way that can detect the subsurface void of the concrete plate exactly through the lab experiments and the numerical simulations. The sand box full of sands with a surface covered by the concrete plate was used in the lab experiment. The void behind the concrete cover was simulated by polystyrene cube. The heating time and the depth of the simulating void were varied in the experiments, meanwhile, the numerical model was created and revised to fit the results of the experiments in different conditions. Then, the revised numerical model was applied to simulate the surface temperature of the concrete plate under different materials, sizes and depths of the void, and different heating time and heating sources. Finally, this thesis tried to create the process of evaluating the size of the void based on the results of the numerical simulations.
    After a series lab experiments and numerical simulations, some conclusions could be made as follows:

    1.The temperature of the void has the high correlation with the thermal property of the sands around the void. When the thermal conductivity of the void is higher than the sands, the surface temperature of the concrete plate over the void would be high. On the other hand, the surface temperature of the concrete plate over the void would be low as the thermal conductivity of the void is lower than the sands.

    2.As the sandbox was heated for three hours, the |△T| of the voids simulated by polystyrene will increase until eighty minutes, and then decrease. But, the |△T| of the voids built by cement mortar will decrease after one hundred to two hundred minutes in the same heating time.

    3.The absolute temperature difference was directly proportional to the surface of the void, but inversely proportional to the depth of the void.

    4.If the size of the void is fixed, the temperature difference would not be influenced by the variation of the size of the sand box

    目 錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 致謝.. Ⅳ 目 錄 V 表 目 錄 VIII 圖 目 錄 ⅠX 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 研究內容 2 1-3 研究流程圖 2 第二章 文獻回顧 4 2-1 紅外線熱影像 4 2-2 有限元素法在熱傳遞分析上之探討 13 2-3 數值模擬與孔洞預測之探討 16 第三章 試驗相關理論 23 3-1 熱傳遞基本理論 23 3-1-1 傳導 23 3-1-2 對流 24 3-1-3 輻射 26 3-2 有限元素法在熱傳遞上之理論 27 3-2-1 有限元素法簡介 27 3-2-2 ABAQUS在熱傳遞採用之基本理論-能量守恆 28 3-2-3 ABAQUS在熱傳遞採用之基本理論-基本定義 28 3-2-4 ABAQUS在熱傳遞採用之基本理論-邊界條件 29 3-2-5 ABAQUS在熱傳遞採用之基本理論-有限元素解析 30 3-2-6 ABAQUS在熱傳遞採用之基本理論-時間積分 30 3-3 紅外線熱影像相關理論 32 3-3-1 熱影像成像原理 32 3-3-2 輻射溫度與真實溫度關係 34 3-3-3 紅外線熱影像儀原理 36 第四章 試驗方法與試驗模擬 39 4-1 實驗儀器介紹 39 4-1-1 紅外線熱影像儀 39 4-1-2 溫度計 44 4-1-3 加熱器 44 4-2 實驗準備工作 47 4-2-1 試驗砂箱 47 4-2-2 試驗採用之混凝土版與填充砂 49 4-2-3 模擬孔洞 49 4-3 試驗設計與步驟 50 4-3-1 孔洞加熱一小時 50 4-3-2 孔洞加熱兩小時 52 4-3-3 改變深度後之加熱一小時 52 4-4 試驗之數值模擬 53 4-4-1 模型之建立 53 4-4-2 參數設定 55 4-4-3 非耦合熱傳暫態分析 56 4-4-4 網格大小與時間增量之決定 58 4-4-5 分析試驗型式 61 4-5 試驗與數值模擬之結果 61 4-5-1 加熱一小時試驗與模擬結果 62 4-5-2 加熱兩小時試驗與模擬結果 66 4-5-3 孔洞深度改變試驗與模擬結果 68 4-5-4 輻射溫度與真實溫度之比較 70 4-6 小結 72 第五章 數值模擬與分析 73 5-1 ABAQUS簡介 73 5-2 模擬參數設定 75 5-3 模擬結果 77 5-3-1 不同加熱時間對孔洞之影響 77 5-3-2 不同加熱源大小對孔洞之影響 91 5-3-3 孔洞深度改變對孔洞之影響 98 5-3-4 改變尺寸之影響 101 5-4 數值模擬之應用-「增溫梯度法」 106 5-5 小結 116 第六章 結論與建議 117 6-1 結論 117 6-2 建議 118 參考文獻 119 自述 123 表 目 錄 表4-1-1 儀器各部份功能 40 表4-1-2 量測視野表 41 表4-2-1 熱傳導係數列表 50 表4-3-1 表面溫溫度的量測方式 51 表4-4-1 熱學參數列表 55 表4-4-2 電腦分析所需時間與硬碟空間容量表 60 表5-2-1 數值模擬使用參數列表 76 表5-3-1 模擬孔洞之熱學參數 77 表5-3-2 加熱源與深度之詳細列表 99 表5-3-3 詳細尺寸與代號列表 104 圖 目 錄 圖1-3-1 試驗流程圖 3 圖2-1-1 完整煙囪與裂縫煙囪之溫差比較圖 4 圖2-1-2 熱傳導概念圖 6 圖2-1-3 混凝土砂箱試驗圖 7 圖2-1-4 表面溫度上升率與混凝土厚度之關係圖 7 圖2-1-5 歷時表面輻射溫度變化圖 8 圖2-1-6 邊坡熱紅外線影像量測示意圖 8 圖2-1-7 歷時表面輻射溫度變化 9 圖2-1-8 阿里山公路65.1K 噴漿護坡溫差圖 9 圖2-1-9 鹽水溪堤防紅外線熱影像圖 10 圖2-1-10 磁磚表面吸熱後之熱影像圖 11 圖2-1-11 案例堤防之紅外線熱影像圖 12 圖2-1-12 孔洞在版後0㎝與2cm加熱30分降溫210分之△T圖關係圖 12 圖2-2-1 冷卻後的平板通過熱水時的紅外線熱影像圖 15 圖2-2-2 以ANSYS模擬冷卻後的平板通過熱水時之結果 15 圖2-3-1 不同孔洞深度-厚度配置圖 16 圖2-3-2 延遲相位差之差值與加熱時間建立不同孔洞深度-厚度圖 17 圖2-3-3 孔洞與深度分布圖 19 圖2-3-4 最大溫度差值△Tmax達到所需降溫時間t對應不同孔洞和加熱時間之關係圖 19 圖2-3-5 混凝土覆蓋與達 時間與 關係圖 20 圖2-3-6 孔洞大小和達 時間與 關係圖 20 圖2-3-7 孔洞熱傳導係數和達 時間與 關係圖 21 圖2-3-8 孔洞密度和達 時間與 關係圖 21 圖3-1-1 傳導、對流、幅射之傳遞方式 23 圖3-1-2 熱對流中邊界層的形式 25 圖3-2-1 比熱及潛熱定義 29 圖3-3-1 黑體頻譜輻射放射率(對數刻度) 34 圖3-3-2 標準化的體系 35 圖3-3-3 溫度與射度係數的關係 35 圖3-3-4 實際溫度Ts與輻射溫度Ts '的關係 36 圖3-3-5 紅外線熱影像儀成像原理 38 圖3-3-6 紅外線輻射在大氣中的穿透率 38 圖4-1-1 儀器內部構造 40 圖4-1-2 紅外線熱影像儀TH7102及其周邊設備 43 圖4-1-3 Mikrospec操作介面 43 圖4-1-4 多功能精密溫度計與接觸式感溫探頭 44 圖4-1-5 加熱器圖 45 圖4-1-6 加熱器設計圖 45 圖4-1-7 更改電熱管加熱器之配線方法 46 圖4-1-8 加熱器運行方式示意圖 46 圖4-2-1 砂箱設計圖 47 圖4-2-2 配置示意圖與實際完成圖 48 圖4-2-3 釘製完成圖 48 圖4-2-4 聚苯乙烯之模擬孔洞(15×15×15㎝3與10×10×10㎝3) 50 圖4-3-1 孔洞路徑與完整路徑示意圖 51 圖4-4-1 孔洞與砂箱位置示意圖 54 圖4-4-2 加熱時示意圖 54 圖4-4-3 Mesh切割示意圖 54 圖4-4-4 網格收斂性結果 59 圖4-5-1 孔洞10×10×10立方公分之孔洞路徑表面溫度歷時曲線圖 63 圖4-5-2 孔洞15×15×15立方公分之孔洞路徑表面溫度歷時曲線圖 63 圖4-5-3 孔洞10×10×10立方公分完整路徑表面溫度歷時曲線圖 64 圖4-5-4 孔洞15×15×15立方公分完整路徑表面溫度歷時曲線圖 64 圖4-5-5 孔洞10×10×10立方公分之溫差歷時曲線圖 65 圖4-5-6 孔洞15×15×15立方公分之溫差歷時曲線圖 65 圖4-5-7 孔洞10×10×10立方公分孔洞路徑之表面溫度歷時曲線圖 66 圖4-5-8 孔洞10×10×10立方公分完整路徑之表面溫度歷時曲線圖 67 圖4-5-9 孔洞10×10×10立方公分之溫差歷時曲線圖 67 圖4-5-10 孔洞10×10×10立方公分距混凝土版兩公分孔洞路徑表面溫度歷時曲線圖 68 圖4-5-11 孔洞10×10×10立方公分距混凝土版兩公分孔洞路徑表面溫度歷時曲線圖 69 圖4-5-12 孔洞10×10×10立方公分距混凝土版兩公分溫差歷時曲線圖 69 圖4-5-13 真實溫度-輻射溫度關係趨勢曲線圖 71 圖5-1-1 ABAQUS/CAE操作流程圖 74 圖5-1-2 ABAQUS/CAE 介面 75 圖5-2-1 孔洞與完整路徑之表面溫度取點示意圖 76 圖5-3-1 不同體積孔洞路徑之表面溫度歷時曲線(保麗龍) 78 圖5-3-2 不同體積孔洞路徑之表面溫度歷時曲線(水泥砂漿) 79 圖5-3-3 不同體積完整路徑之表面溫度歷時曲線(保麗龍) 79 圖5-3-4 不同體積完整路徑之表面溫度歷時曲線(水泥砂漿) 80 圖5-3-5 不同孔洞尺寸之溫差歷時曲線(保麗龍) 80 圖5-3-6 不同孔洞尺寸之溫差歷時曲線(水泥砂漿) 81 圖5-3-7 數值模擬加熱60分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方保麗龍為例) 82 圖5-3-8 數值模擬降溫86分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方保麗龍為例) 82 圖5-3-9 數值模擬降溫210分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方保麗龍為例) 82 圖5-3-10 數值模擬加熱60分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方水泥砂漿為例) 83 圖5-3-11 數值模擬降溫210分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方水泥砂漿為例) 83 圖5-3-12 不同孔洞尺寸孔洞路徑之溫度歷時曲線(保麗龍)加熱3小時降溫6小時 85 圖5-3-13 不同孔洞尺寸孔洞路徑之溫度歷時曲線(水泥砂漿)加熱3小時降溫6小時 86 圖5-3-14 不同孔洞尺寸完整路徑之溫度歷時曲線(保麗龍)加熱3小時降溫6小時 86 圖5-3-15 不同孔洞尺寸完整路徑之溫度歷時曲線(水泥砂漿)加熱3小時降溫6小時 87 圖5-3-16 不同孔洞尺寸之溫差歷時曲線(保麗龍)加熱3小時降溫6小時 87 圖5-3-17 不同孔洞尺寸之溫差歷時曲線(水泥砂漿)加熱3小時降溫6小時 88 圖5-3-18 數值模擬加熱101分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方保麗龍為例) 89 圖5-3-19 數值模擬加熱180分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方保麗龍為例) 89 圖5-3-20 數值模擬降溫360分後之正面與剖面溫度圖(以15公分立方保麗龍為例) 89 圖5-3-21 數值模擬加熱180分後之正面與剖面溫度圖(以5公分立方水泥砂漿為例) 90 圖5-3-22 數值模擬降溫75分後之正面與剖面溫度圖(以5公分立方水泥砂漿為例) 90 圖5-3-23 數值模擬降溫360分後之正面與剖面溫度圖(以5公分立方水泥砂漿為例) 90 圖5-3-24 不同熱源孔洞路徑表面溫度歷時曲線(保麗龍) 92 圖5-3-25 不同熱源完整路徑表面溫度歷時曲線(保麗龍) 93 圖5-3-26 不同熱源溫差歷時曲線(保麗龍) 94 圖5-3-27 不同熱源孔洞路徑表面溫度歷時曲線(水泥砂漿) 95 圖5-3-28 不同熱源完整路徑表面溫度歷時曲線(水泥砂漿) 96 圖5-3-29 不同熱源溫差歷時曲線(水泥砂漿) 97 圖5-3-30 不同熱源大小之溫差歷時曲線圖(保麗龍) 98 圖5-3-31 加熱源500J/sec‧m2時,孔洞距離混凝土板不同距離之溫差歷時曲線(保麗龍) 99 圖5-3-32 加熱源1000J/sec‧m2時,孔洞距離混凝土板不同距離之溫差歷時曲線(保麗龍) 100 圖5-3-33 不同體積之砂箱數值模擬圖 103 圖5-3-34 不同體積之砂箱溫差圖 104 圖5-3-35 完整路徑不同距離點之砂箱溫差圖 105 圖5-3-36 不同砂箱與孔洞變化之溫差歷時曲線圖 105 圖5-4-1 斜率法之流程圖 108 圖5-4-2 不同尺寸孔洞△T-時間之斜率回歸趨勢曲線(模擬加熱一小時) 109 圖5-4-3 不同尺寸孔洞△T-時間之斜率回歸趨勢曲線(模擬加熱三小時) 110 圖5-4-4 不同熱源△T-時間之斜率回歸趨勢曲線-孔洞緊貼混凝土版 111 圖5-4-5 不同熱源△T-時間之斜率回歸趨勢曲線-孔洞距混凝土版2cm 112 圖5-4-6 不同熱源△T-時間之斜率回歸趨勢曲線-孔洞距混凝土版4cm 113 圖5-4-7 △T-時間之斜率回歸趨勢線-孔洞尺寸10×10×10㎝3(模擬與試驗比較) 114 圖5-4-8 △T-時間之斜率回歸趨勢曲線-孔洞尺寸15×15×15㎝3(模擬與試驗比較) 115

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    下載圖示 校內:2010-08-27公開
    校外:2012-08-27公開
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