混凝土結(jié)構(gòu)表面保溫對矩形渡槽水溫的影響

劉洋

（鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039）

我國的北部寒區(qū)冬季氣溫偏低，同時日溫差較大，輸水渡槽容易結(jié)冰，并對輸水過程和渡槽的結(jié)構(gòu)安全造成不利影響[1]。在渡槽的外表面增設(shè)保溫板對混凝土保溫隔熱，具有操作方便，保溫效果好的優(yōu)勢，在水利工程中具有廣泛的應(yīng)用。針對渡槽混凝土外表面常用的聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，如何在保證保溫效果的前提下兼顧其經(jīng)濟性就成為重要的研究課題。

1 保溫板保溫原理

在混凝土渡槽外表面設(shè)置保溫板可以有效阻止混凝土與冷空氣的熱交換，起到顯著的保溫作用。保溫板與周圍大氣接觸面屬于第三類邊界條件，表面敷設(shè)有保溫板的混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度滿足如下公式：

式中：λ為保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)；β為保溫板的外表面散熱系數(shù)；Ta為大氣溫度，℃；T為渡槽內(nèi)水溫，℃。

由于復(fù)合材料構(gòu)成比較復(fù)雜，特別是混凝土和保溫材料的熱力學(xué)屬性差異較大，采用簡單的傳導(dǎo)方程進(jìn)行散熱計算無疑是不準(zhǔn)確的，近年來部分專家在原有方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的方法研究[2]，下面主要介紹等效表面散熱系數(shù)法，其計算公式如下：

式中：K為修正系數(shù)，主要由風(fēng)速以及保溫板與混凝土的接觸緊密性等條件決定，通常取0.14～0.16；hi為保溫板的厚度，m；λi保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 保溫材料簡介

保溫材料指的是抵抗冷流入侵的材料或材料復(fù)合體。目前，巖棉、玻璃棉以及膨脹珍珠土等傳統(tǒng)保溫材料雖然價格較低，但是存在導(dǎo)熱系數(shù)大、吸濕性差等顯著缺陷，并不是混凝土渡槽的理想保溫材料。相對于普通保溫材料，以聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料等新型保溫材料雖然價格稍高，但是具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸濕性小、施工方便等諸多優(yōu)勢[3]。其中硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑像作為一種高質(zhì)量的保溫材料，具有良好的化學(xué)不變性和良好的耐磨性，在水利施工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其具體理化性能如表1所示。

表1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑理化性能

根據(jù)GB50176-93《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，硬泡聚氨酯保溫層材料的比熱容為1390 J/（kg·℃），根據(jù)公式（2）計算獲得不同厚度聚氨酯保溫板的表面散熱系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同厚度聚氨酯保溫板表面散熱系數(shù)

3 計算模型的建立

在研究過程中，以某輸水工程的混凝土渡槽為例，建立ANSYS有限元模型。其中，渡槽的長度取10 m，寬度取4.5 m，高度取4.2 m，混凝土壁厚取0.2 m。渡槽內(nèi)的水體長度和寬度與渡槽規(guī)格一致，高度按設(shè)計流量折算為3.22 m?；炷炼刹鄄垠w選用熱質(zhì)量單元solid70，水體選用三維的fluid 142單元。在平面直角坐標(biāo)系下對構(gòu)建的三維數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于水體是主要研究對象，因此水體的網(wǎng)格間距設(shè)定為0.1 m，槽身的間距設(shè)定為0.2 m[4]。在有限元計算過程中，將外界溫度場設(shè)定為穩(wěn)定溫度場，水的入口溫度定義為4℃，環(huán)境溫度分別取-11℃，-16℃，-25℃極端氣溫?？紤]到我國北方寒區(qū)冬季氣溫較低，太陽與水的相互輻射量很小，在計算過程中不予考慮[5]。此外，水體沿Z方向基本不存在溫度變化，因此僅考慮X，Y兩個方向的熱通量。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 采用聚氨酯保溫層的熱通量計算

顯然，渡槽內(nèi)水流速度慢，外界環(huán)境低的情況下，水體散失的熱量最多，水溫下降也最快[6]。因此，在熱通量計算過程中，采用入口流速為1.00 m/s，外界環(huán)境溫度為-25℃工況，利用有限元模型對不同厚度保溫層條件下的熱通量進(jìn)行計算。由計算結(jié)果可知，當(dāng)保溫層的厚度分別為2，5，7 cm時，水體沿混凝土渡槽側(cè)壁X方向的熱通量分別為3.1，2.2，和1.8 w/m2；沿Y方向的熱通量分別為3.3，2.3，和1.8 w/m2?？傮w來看，熱通量隨著保溫層的厚度增加而遞減，說明保溫層越厚，熱量通過渡槽側(cè)壁的散失越少，保溫效果越好。但是，當(dāng)保溫層厚度大于5 cm時，熱通量的減少幅度明顯收窄，因此，考慮到經(jīng)濟性，將保溫層厚度設(shè)定為5 cm即可達(dá)到預(yù)期的保溫效果。

4.2 水溫計算

根據(jù)上節(jié)的計算結(jié)果，采用厚度為5 cm的聚氨酯硬質(zhì)保溫板，對水體流速為1.00 m/s，-11，-16，-25 ℃不同的外界環(huán)境溫度荷載，運用有限元模型求得的熱通量計算出渡槽平壁傳遞的熱量，并進(jìn)一步獲得渡槽內(nèi)的水溫。不同環(huán)境溫度工況下的渡槽內(nèi)水的熱量損失和平均溫度的計算結(jié)果如表3～5所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著渡槽長度的增加，槽內(nèi)水體熱量損失也不斷增加，而槽內(nèi)水溫則持續(xù)降低，但是在-25℃的最不利工況下，2 200 m處槽內(nèi)水溫仍有3.171℃，完全可以滿足輸水保溫需求。

表3 環(huán)境溫度為-11℃時熱量損失與平均溫度計算結(jié)果

表4 環(huán)境溫度為-16℃時熱量損失與平均溫度計算結(jié)果

4.3 渡槽有無保溫層的溫度對比

在水體流速為1.00 m/s，-11，-16，-25 ℃3種不同的外界環(huán)境溫度荷載條件下，對渡槽內(nèi)水體溫度進(jìn)行計算，得到如圖7～9的溫度對比曲線。由對比曲線可知，在渡槽混凝土外表面敷設(shè)聚氨酯保溫板可以提高槽內(nèi)水溫1～3℃，同時外界環(huán)境溫度越低保溫效果越明顯。因此，厚5 cm的聚氨酯硬質(zhì)保溫板可以起到有效的保溫作用，對保證渡槽在冬季低溫情況下的正常輸水以及槽體本身的結(jié)構(gòu)安全具有重要作用。

表5 環(huán)境溫度為-25℃時熱量損失與平均溫度計算結(jié)果

圖1 -11℃工況下渡槽水溫對比曲線

圖2 -16℃工況下渡槽水溫對比曲線

5 結(jié)論

文章針對我國北方寒區(qū)矩形渡槽外面敷設(shè)聚氨酯保溫層情況下的水體溫度效應(yīng)，并獲得了如下結(jié)論：

1）渡槽外壁敷設(shè)保溫層可有效阻止熱交換，減少槽內(nèi)水體的熱量損失，提高水體溫度。

圖3 -25℃工況下渡槽水溫對比曲線

2）以某輸水工程的混凝土渡槽為例，建立ANSYS有限元模型，計算出不同環(huán)境溫度工況下的渡槽邊壁熱通量，考慮經(jīng)濟性和保溫效果，確定保溫層厚度為5 cm。

3）隨著渡槽長度的增加，槽內(nèi)水體熱量損失也不斷增加，而槽內(nèi)水溫則持續(xù)降低，但是在-25℃的最不利工況下，2 200 m處槽內(nèi)水溫仍有3.171℃，完全可以滿足輸水保溫需求。

4）渡槽有無保溫層的溫度對比顯示，聚氨酯硬質(zhì)保溫板可以起到有效的保溫作用，對保證渡槽在冬季低溫情況下的正常輸水以及槽體本身的結(jié)構(gòu)安全具有重要作用。