Heat transfer in road pavement structure and identification of its layers thermal parameters

• Autorzy: Aliawdin P. , Połczyński J.

Warianty tytułu

PL

Wymiana ciepła w konstrukcji nawierzchni drogowej i identyfikacja parametrów materiałowych tworzących jej warstwy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A heat transfer problem for the road pavement system "layered plate - embankment - soil base" is formulated. There are suggested mathematical models and their realization with the use of finite element analysis and design software program by solving the layered plate on the ground foundation. Transient thermal state for this road structure is defined by discretization of the system described by different material properties. The theoretical results are compared with the experiment data for the real road pavement of Lubuski province road No 297 on the route Zagan-Kozuchow in Poland. Finally, two inverse problems are formulated, to identify respectively the boundary conditions and heat material parameters of road structure by smooth (least squares) and nonsmooth (minimax) optimization. It was shown that the criterion of least squares does not give trust results and only nonsmooth criterion of minimax lead to a trust result of the identification.

PL

W pracy przedstawiono identyfikację parametów materiałowych oraz warunków granicznych ośrodka niejednorodnego, jaki stanowi konstrukcja nawierzchni drogowej. Problem ten rozwiązano poprzez analizę wymiany ciepła dla układu "płyta wielowarstwowa - nasyp - podłoże gruntowe". Na podstawie wieloletnich badań doświadczalnych rozkładu temperatury sformułowane zostały proste i odwrotne zagadnienia nieustalonego przepływu ciepła, zrealizowane przy pomocy metody elementów skończonych. Dla identyfikacji stosowane były metody gładkiej i niegładkiej optymalizacji z kryterium najmniejszych kwadratów oraz kryterium minimaxu. Druga z metod okazała się skuteczną, ponieważ w odróżnieniu od pierwszej możliwe było wyznaczenie optymalnych wartości wszystkich badanych materiałów tworzących warstwy konstrukcji drogowej. Podane przykłady analizy numerycznej porównane zostały z wynikami badań doświadczalnych uzyskanych z poligonów zlokalizowanych na drodze wojewódzkiej nr 296 w miejscowości Kożuchów w Polsce.

Słowa kluczowe

EN

pavement system; heat transfer problem; boundary conditions identification; road pavement structure

PL

nawierzchnia drogowa; wymiana ciepła; konstrukcja nawierzchni drogowej

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego
• Czasopismo: Civil and Environmental Engineering Reports
• Rocznik: 2010
• Tom: No. 5
• Strony: 63--78
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Aliawdin P.

autor

Połczyński J.

• University of Zielona Góra, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Building Structures ul. prof. Z. Szafrana 1, 65-516 Zielona Góra, Poland,

Bibliografia

• 1. Aliawdin P., Marcinowski J., Wilk P.: Theoretical and experimental analysisof heat transfer in the layers of road pavement, Civil and environmental engineering reports, 1, University of Zielona Góra Press, Poland, 2005, 7-18.
• 2. Aliawdin P., Polczynski J., Wygocka A.: Theoretical and experimental determination of heat parameters of road pavement layers. Insulation, 135, 2 (2009), 84-89. (In Polish).
• 3. Aliawdin P., Polczynski J.: Analysis of heat transfer in road pavement structures using methods of optimization / Selected papers of the 9th International Conference "Modern Building Materials, Structures and Techniques", May 16-18, 2007, Vilnius, Lithuania. III, Technika, Vilnius, (2007), 873-880.
• 4. Alifanov O.M.: Inverse heat transfer problems, Springer-Verlag, New York, 1994.
• 5. Bakushinsky A.B., Kokurin M.Yu.: Iterative methods for approximate solution of inverse problems, Springer-Verlag, New York, 2004.
• 6. Beluch W. et al. Granular computing in evolutionary identification / Witold Beluch, Tadeusz Burczyński, Adam Długosz, Piotr Orantek, in: Computer Methods in Mechanics, ASM 1, Lectures of the CMM 2009, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2010, 149-163.
• 7. Bui, H.D.: Inverse Problems in the Mechanics: An Introduction. CRC Press, Bocca Raton, 1994.
• 8. Ciałkowski M., Grysa K.: A sequential and global method of solving an inverse problem of heat conduction equation, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Warsaw, 48, 1, (2010), 111-134.
• 9. COSMOS/M. Designer II. A complete design analysis system. Version 1.2. Structural Research and Analysis Corporation. Los Angeles, California. 1996.
• 10. Demyanov V.F.: Nonsmooth optimization, in: Bomze I.M., Demyanov V.F., Fletcher R., Terlaky T., Pólik I., Di Pillo G., Fabio S.: Nonlinear optimization, Springer-Verlag, New York, 2010, 55-164.
• 11. Hetmaniok Edyta, Zielonka Adam: Solving the Inverse Heat Conduction Problem by using the Ant Colony Optimization algorithm, in: CMM-2009 - Computer Methods in Mechanics, 18-21 May 2009, Zielona Góra, Poland, (2009), 205-206.
• 12. Kolesnikov A.G.: To change the mathematical formulation of the problem of soil freezing, Reports of the USSR Academy of Sciences, Moscow, 82, 6, (1953), 889-891. (In Russian).
• 13. Ljung Lennart: System Identification. Theory for the User. Second Edition. Prentice-Hall PTR, Linkoping University Sweden. New Jersey, 1999.
• 14. Maier, G., Bocciarelli, M., Fedele, R.: Some innovative industrial prospects centered on inverse analyses, in: Z. Mroz, G. Stavroulakis Eds., Parameter Identification of Materials and Structures, CISM, Springer-Verlag, New York, 2005.
• 15. Maier G. et al.: Synergic Combinations of Computational Methods and Experiments for Structural Diagnoses / Giulio Maier, Gabriella Bolzon, Vladimir Buljak, Tomasz Garbowski, Bartosz Miller, in: Computer Methods in Mechanics, Lectures of the CMM 2009, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2010, 453-476.
• 16. Mieczkowski P.: Calculating the temperature of upper layer of asphalt pavement - the physical model, Drogownictwo, 8, (2001), 230-235. (In Polish).
• 17. Osipov Ju.S., Vasiljev F.P., Potapov M.M.: Fundamentals of dynamic regularization method. Moscow, Moscow State University, 1999. (In Russian).
• 18. Peck L., Jordan R., Koenig G.: SNTHERM-RT Predictions of pavement temperature, U.S. Army Engineer Research and Development Center Cold Regios / Research and Engineering Laboratory (CRREL), August 2002.
• 19. Ramm Alexander G.: Inverse problems mathematical and analytical techniques with applications to engineering: Mathematical and analytical techniques with applications to engineering, Springer Science, Business Media, Inc., New York, 2005.
• 20. Samarski A. A., Vabischevich P.N.: Computational heat transfer, Editorial URSS, Moscow, 2003. (In Russian). = Samarski A. A., Vabischevich P.N.: Computational heat transfer, 1: Mathematical modeling; 2: The finite difference methodology, Wiley, New York, 1995.
• 21. Taler J., Duda P.: Solving of direct and inverse problems of heat transfer. WNT, Warszaw, 2003. (In Polish).
• 22. Tarantola Albert: Inverse problem theory and methods for model parameter estimation, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 2005.
• 23. Tikhonov, A.N., Arsenim, V.Y.: Solution of Ill-Posed Problems, Wiley, New York, 1977.
• 24. Tikhonov A.N., Goncharsky A., Stepanov V.V., Yagola A.G.: Numerical methods for the solution of ill-posed problems, Springer-Verlag, New York, 2011.
• 25. Uhl, T.: Computer-aided identification of constructional models. WNT, Warsaw, 1997. (in Polish).
• 26. Uhl, T., Lisowski, W. and Bochniak, W.: Problems of tuning the finite element models, AGH, Cracow, 2000. (in Polish).
• 27. Zabaras, N.: Inverse problems in heat transfer, in: Handbook of numerical heat transfer / Ed. Minkowycz W.J. et al., Wiley, New York, 2006, 525-557.
• 28. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The Finite Element Method, 1: The Basis, Fifth edition, Butterworth Heinemann, Oxford, Auckland, Boston, Johannesburg, Melbourne, New Delhi, 2000.