基于CFD模擬的管片蒸養(yǎng)窯熱油管優(yōu)化布置研究

張建

摘要：為保證混凝土管片的強度與質(zhì)量，掌握混凝土管片在蒸養(yǎng)過程中蒸養(yǎng)窯的蒸汽溫度場，采用流體力學(xué)軟件對混凝土蒸養(yǎng)窯進行溫度場模擬?；谀芰糠匠淌降睦碚撛砗蜆?biāo)準(zhǔn)模型，采用CFD模擬方法，研究在不同熱油管布置方案下，蒸養(yǎng)窯內(nèi)部各水平高度的蒸汽溫度場分布情況。案例分析表明，調(diào)整熱油管布置方式能使蒸養(yǎng)窯溫度場分解更加科學(xué)合理。

Abstract： In order to ensure the strength and quality of concrete tube slices， and master the steam temperature field of the autotrophic kiln during the autotrophic process of concrete tube slices， hydrodynamics software is used to simulate the temperature field of the autotrophic kiln. Based on the theoretical principle of energy equation and standard model， CFD simulation method is adopted to study the distribution of steam temperature field at different levels and heights inside the steam curing kiln under different arrangement schemes of hot tubing. The case study shows that the temperature field decomposition of steam kiln can be more scientific and reasonable by adjusting the arrangement of hot tubing.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)管片;混凝土蒸養(yǎng);CFD模擬;溫度場;熱油管

Key words： tunnel segment;concrete steaming;CFD numerical simulation;temperature field;heat oil pipeline

中圖分類號：TU528 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0142-03

0 ?引言

隨著軌道交通的迅速發(fā)展，盾構(gòu)法施工得以大量運用。但是，盾構(gòu)法施工依賴于高強度高質(zhì)量的混凝土管片。為保證管片蒸養(yǎng)中達(dá)到預(yù)期強度，需要嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)溫度[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者致力于研究混凝土蒸養(yǎng)過程中水化熱反應(yīng)對混凝土強度的影響，張雷順等[2]結(jié)合傳感器和光學(xué)射線研究了蒸養(yǎng)過程中水化物和微結(jié)構(gòu)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)溫度的改變對混凝土表層孔結(jié)構(gòu)影響顯著;徐子芳等[3]采用基本力學(xué)和導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗分析了水化物的特性，結(jié)果表明蒸養(yǎng)溫度增加可提高粉煤灰水泥強度;齊莉莉等[4]研究發(fā)現(xiàn)恒溫養(yǎng)護溫度與養(yǎng)護時間對地鐵管片高耐久混凝土的抗?jié)B性能影響顯著。

上述研究肯定了蒸養(yǎng)溫度是影響混凝土強度的重要因素，但缺乏對蒸養(yǎng)溫度控制的研究。因此，建立混凝土管片蒸養(yǎng)窯空間結(jié)構(gòu)模型，布置虛擬熱油管網(wǎng)路，運用能量方程式，進行CFD的溫度場模擬，使得混凝土管片蒸養(yǎng)窯溫度空間分布科學(xué)合理，優(yōu)化蒸養(yǎng)窯熱油管路布置，對混凝土管片蒸養(yǎng)窯的溫度控制與節(jié)能減排具有重要意義。

1 ?蒸養(yǎng)窯溫度場案例模型建立

養(yǎng)護溫度對混凝土的早期性能的發(fā)展速度有很大的影響，為分析蒸養(yǎng)窯內(nèi)部蒸汽溫度場分布情況，采用流體力學(xué)仿真軟件[5]對管片廠混凝土蒸養(yǎng)窯溫度場數(shù)值模擬。

以中國水利水電第七工程局有限公司新津管片廠蒸養(yǎng)窯為案例，使用ANSYS系列軟件構(gòu)建蒸養(yǎng)窯模型，并將蒸養(yǎng)窯內(nèi)部使用正方體為單元有限元化，選用Fluent軟件對蒸養(yǎng)窯進行模擬，其運算基本原理為質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律[6]，溫度場與流場計算是相關(guān)聯(lián)的，由于在本研究中單獨討論流場問題時，熱交換能量損耗極小，故只需將動量方程與連續(xù)性方程聯(lián)立便可獲得流場分布。

對于單相流模型，內(nèi)部湍流強度大，雷諾系數(shù)較高，因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-？著模型即可反應(yīng)蒸養(yǎng)窯內(nèi)部溫度流場又可以提高迭速度。

本次模擬選取了兩種不同方式布置蒸養(yǎng)窯熱油管，見圖1。其中布置方式A（見圖1（A））為新津管片廠設(shè)計布置方式，升溫區(qū)和降溫區(qū)布置4根直徑0.4米的熱油管，恒溫區(qū)布置8根直徑0.4米的熱油管;布置方式B（見圖1（B））為改進后的布置方式，升溫區(qū)和降溫區(qū)布置5根直徑0.4米的熱油管，恒溫區(qū)布置12根直徑0.4米的熱油管。各區(qū)域熱油管溫度設(shè)置見表1。

2 ?溫度場模擬結(jié)果分析

根據(jù)新津管片廠蒸養(yǎng)窯設(shè)計尺寸，結(jié)合兩種布置方式，在同種熱源溫度下使用MESH構(gòu)造蒸養(yǎng)窯三維模型，并進行有限元網(wǎng)格劃分，然后將三維模型導(dǎo)入Fluent，選用k-？著湍流模型及能量守恒方程[8]。相同溫度不同布置方式下，模擬結(jié)果為：

①布置方式A模擬結(jié)果圖。

②布置方式B模擬結(jié)果圖。（圖3）

③恒溫區(qū)不同高度溫度曲線圖。

如圖2、圖3所示，在Z=1高度布置方式B的溫度場承橢圓形，溫度由區(qū)域中心向四周遞減擴散;在Z=2高度，布置方式A溫度場圖形發(fā)生明顯變化，而布置方式B的溫度場圖形仍是承橢圓型。如圖4所示，在相同熱源溫度布置下的恒溫區(qū)，布置方案B可以達(dá)到更高的溫度。

為達(dá)到溫度控制及節(jié)能的目的，優(yōu)化布置方案B，使兩種布置方案能夠達(dá)到相近溫度，優(yōu)化后溫度布置如表2所示。

如圖5所示，布置方案B經(jīng)過優(yōu)化后，各區(qū)域熱源溫度減少70℃，模擬溫度曲線明顯接近于布置方案A的原始溫度，達(dá)到預(yù)期效果。

3 ?結(jié)語

盾構(gòu)法施工蒸養(yǎng)制度對混凝土的蒸養(yǎng)溫度控制要求極高，為精確控制蒸養(yǎng)窯內(nèi)部蒸汽溫度，剖析混凝土蒸養(yǎng)的溫度要求，通過改變蒸養(yǎng)窯熱油管路布置方式，以期尋求最優(yōu)管路布置方式。

案例分析表明，在熱源溫度相同的情況下改進原設(shè)計方案，通過縮短熱油管間距、增加熱油管數(shù)量，可以使各溫區(qū)的蒸汽溫度達(dá)到更高，且恒溫區(qū)的溫度場更加飽和。

混凝土蒸養(yǎng)需要精確控制各種環(huán)境因素，結(jié)合熱油管路布置優(yōu)化方案，研究蒸養(yǎng)窯內(nèi)濕度控制方案是后續(xù)工作的重點。

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