特殊環(huán)境下路基溫度場(chǎng)模擬及參數(shù)優(yōu)化

鄭仕建,李炳熙,劉 逸,宋文宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

針對(duì)特殊地域環(huán)境 (東北冰凍區(qū)、西北高原區(qū)、南方多雨區(qū)等),綜合考慮不同氣候環(huán)境(包括高溫、低溫、水、冰凍、紫外輻射、風(fēng)等)、不同軸載組成 (不同軸數(shù)、不同軸載)、不同結(jié)構(gòu)形式 (不同基層、不同面層)以及不同應(yīng)用 (道路、機(jī)場(chǎng)、軌道)組合,進(jìn)行有針對(duì)性的加速加載試驗(yàn)是解決目前路面早期損壞問(wèn)題、新技術(shù) (新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝)、凍土地區(qū)的病害與振動(dòng)控制、道路養(yǎng)護(hù)維修等問(wèn)題的可靠手段。本文是為道路加速加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)——環(huán)境模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建提供必要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

路基溫度場(chǎng)的形成,是由埋于地下的制冷管和路面的冷空氣流動(dòng)形成。對(duì)于地埋管換熱主要有兩種形式,一是水平埋管,二是豎直埋管。本文采用水平埋管的形式。為了便于理論分析,做如下假設(shè):

(1)假定土壤、埋管為均質(zhì),且各向同性的固體,各物性參數(shù)均為常數(shù)[1]。土壤溫度場(chǎng)受導(dǎo)熱系數(shù)的影響很大,但是影響巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素很多,主要包括固體顆粒組成、土體密度、孔隙率、含水量及水飽和度以及土中水的形態(tài)(固液態(tài)之分)等[2],確定非常困難,為簡(jiǎn)便起見,將路基分層處理,認(rèn)為各層是均一的;

(2)忽略沿管長(zhǎng)方向的傳熱,認(rèn)為埋管周圍土壤溫度場(chǎng)為二維不穩(wěn)定固體導(dǎo)熱問(wèn)題。大時(shí)間尺度的管內(nèi)流動(dòng)換熱主要發(fā)生在徑向上,故可忽略軸向換熱;

(3)忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移。由于水分遷移帶來(lái)的熱遷移對(duì)換熱的影響與土壤中的含水量、相態(tài)等諸多因素有關(guān),沒有恒定的標(biāo)準(zhǔn),但是一般情況下影響較小,可以忽略,不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度造成很大影響[3,4];

(4)因?yàn)榇蟮鼐哂泻軓?qiáng)的蓄熱能力,在土壤足夠深的地方,溫度基本保持某一定值。

1 路基結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)

所研究的路基結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 路基結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic graph of roadbed

路基溫度控制說(shuō)明:

(1)路面處吹冷空氣,通過(guò)控制冷空氣的溫度和速度,使路面在可允許的時(shí)間內(nèi)達(dá)到-20℃;

(2)在路基的土基層底部埋設(shè)制冷銅管,制冷管內(nèi)通-25℃的載冷劑乙二醇溶液,通過(guò)控制管間距、管內(nèi)載冷劑溫度及流速,使路基計(jì)算空間內(nèi)的最大溫度不高于-5℃。

物性參數(shù)列表如表1所示[5]。

表1 物性參數(shù)Tab.1 Structural parameters and physical parameters

制冷工程應(yīng)用銅管的標(biāo)準(zhǔn)管徑如表2所示。

表2 銅管參數(shù)Tab.2 Parameters of copper tube

1.1 邊界條件設(shè)置及說(shuō)明

邊界條件的設(shè)置和說(shuō)明如表3所示[6,7]。

表3 邊界條件Tab.3 Boundary condition

1.2 計(jì)算結(jié)果和分析

(1)路基內(nèi)最高溫度的變化

計(jì)算條件:管間距22 cm,管內(nèi)制冷劑流速0.5 m/s,溫度-25℃;冷空氣溫度-40℃;冷空氣速度10 m/s。

由圖2可以看出,在最初的30 h內(nèi),路基內(nèi)最終出現(xiàn)最高溫度-5℃的面的溫度沒有變化,30 h后該平面的溫度逐漸降低,201.4 h后路基內(nèi)最高溫度達(dá)到設(shè)定的-5℃。

(2)路面的溫度變化

計(jì)算條件:冷空氣溫度-40℃;冷空氣速度10 m/s。

圖2 路基內(nèi)最高溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variety of monitoring plane maximum temperature along with time

由圖3可以看出,路面的溫度變化呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),路面溫度下降到-20℃所需的時(shí)間為7.16 h。

圖3 路面溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variety of top surface temperature along with time

(3)豎直方向溫度

由圖4可以看出,路基內(nèi)的溫度分布呈現(xiàn)兩邊低中間高的趨勢(shì),最高溫度-5℃出現(xiàn)于距底面130 cm處。

圖4 高度方向的溫度變化Fig.4 Temperature variety in vertical direction

2 參數(shù)優(yōu)化

(1)管內(nèi)載冷劑溫度對(duì)制冷時(shí)間的影響

由圖5可以看出,隨著載冷劑溫度的降低,路基內(nèi)出現(xiàn)最高溫度-5℃的時(shí)間逐漸縮短,綜合考慮制冷設(shè)備的性能和經(jīng)濟(jì)因素,所以管內(nèi)載冷劑的溫度可以取定為248 K。

圖5 載冷劑溫度對(duì)換熱時(shí)間的影響Fig.5 Effects of secondary refrigerant temperature on heat exchange time

(2)管間距對(duì)制冷時(shí)間的影響

由圖6可以看出,隨著管間距的增大,制冷劑的流量相應(yīng)減小,制冷時(shí)間逐漸增加,根據(jù)工程實(shí)際對(duì)制冷時(shí)間的要求,制冷管的間距可取為22 cm。

圖6 管間距對(duì)換熱時(shí)間的影響Fig.6 Effects of tube spacing on heat exchange time

(3)管內(nèi)載冷劑流速對(duì)換熱時(shí)間的影響

由圖7可以看出,隨著載冷劑流速的增加,制冷劑的流量相應(yīng)增大,制冷時(shí)間逐漸減小,綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和工程的實(shí)際需要,可以將管內(nèi)載冷劑的流速設(shè)定在0.5 m/s。

圖7 載冷劑流速對(duì)時(shí)間的影響Fig.7 Effects of secondary refrigerant velocity on heat exchange time

(4)風(fēng)速對(duì)路面換熱時(shí)間的影響

由圖8可以看出,隨著風(fēng)速的加大,路面下降到-20℃的時(shí)間以較大的幅度降低,這主要是由于風(fēng)速的加大提高了對(duì)流換熱系數(shù)。事實(shí)上,路面換熱時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于路基內(nèi)部的換熱時(shí)間,出于節(jié)約成本的因素考慮,可以選取風(fēng)速為6 m/s。

圖8 風(fēng)速對(duì)路面換熱時(shí)間的影響Fig.8 Effects of wind velocity on road surface heat exchange time

(5)冷空氣溫度對(duì)路面換熱時(shí)間的影響

由圖9可以看出,隨著冷空氣溫度的提高,路面下降到-20℃的時(shí)間延長(zhǎng)。即便如此,這一時(shí)間仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于路基內(nèi)部的換熱時(shí)間,所以可以將冷空氣的溫度適當(dāng)提高,這里取定為-32℃。

圖9 冷空氣溫度對(duì)換熱時(shí)間的影響Fig.9 Effects of cool air temperature on heat exchange time

3 結(jié) 論

通過(guò)以上的模擬研究和參數(shù)優(yōu)化,可以得出如下結(jié)論:

(1)為了保證路基內(nèi)部出現(xiàn)最高溫度-5℃的時(shí)間比較適宜,路基底部的埋管參數(shù)可設(shè)定為管內(nèi)載冷劑溫度-25℃,管徑28.6 mm,管內(nèi)載冷劑流速0.5 m/s,管間距22 cm;

(2)為了保證路面可以達(dá)到-20℃的溫度要求,路面所吹冷空氣的參數(shù)可選定位:冷空氣速度6 m/s,溫度-32℃。

(3)通過(guò)以上的模擬研究和參數(shù)優(yōu)化,可以為下一步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建提供必要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

[1]吳挺,趙軍,張春雷,等.水平埋管周圍土壤溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2004,31(6):68-71.

[2]肖衡林.巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算研究[J].路基工程,2007,(3):54-56.

[3]陳善雄,陳守義.非飽和土熱濕遷移的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),1993,14(2):41-51.

[4]陳善雄,陳守義.非飽和土熱濕耦合傳輸問(wèn)題的數(shù)值解[J].巖土力學(xué),1992,13(1):39-50.

[5]尉遲斌,盧士勛,周祖毅,等.實(shí)用制冷與空調(diào)工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[6]韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.[7]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998.