流体加热融雪道面热力耦合效应研究及优化设计
发布时间：2021-09-02 17:48
流体加热融雪道面系统作为一种主动、高效、环保、可控的新型机场道面融雪技术受到学者们的广泛关注。研究人员通过理论模拟、室内外试验观测等手段,探究了道面的融雪性能及影响因素。然而,针对流体加热融雪道面加热过程中的温度应力,以及温度应力与荷载应力共同作用下的道面力学响应缺乏研究,使得流体加热融雪道面在实际应用中的安全性遭受质疑。针对以上问题,本文开发了室内外流体加热融雪道面温度应变监测系统,分析了加热过程中道面温度应变的分布特性,建立了流体加热道面温度应力数值模型并基于试验数据进行了验证,探究了道面温度应力的分布特性,阐明了温度应力与飞机荷载应力的耦合关系,从融雪-力学双目标优化角度确定了合理的流体加热道面系统设计及运行参数,并将研究成果用于指导北京大兴国际机场流体加热道面工程设计和运行。主要内容及成果如下:考虑机场道面结构与地下土壤热源分布,在室内流体加热道面力学性能试验分析基础上,建立了室外足尺流体加热融雪道面及配套监测系统。分析了加热过程中道面温度应变的分布特性,对比了流体加热道面与普通道面的温度应变分布差异,明确了热流的引入对道面温度应变的影响规律,阐明了道面温度与应变的关系。结果表...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
降雪导
蠊ぷ鳎?自斐珊桨嘌游螅?杂谕?行能力要求较高的机场存在显著的局限性。研究表明采用低冰点材料等化学方式及利用电、热等能量转化方式可实现机场道面主动除冰雪。主要包括低冰点填料道面[14]、流体加热道面[15]、热管加热道面[16]、电加热道面[17,18]等。其中流体加热道面以高效、环保、可控性强等优点，得到了广泛的关注。该方法利用热泵机组将外部热源（浅层地热、地热水及工业废热等）获取的低品位热量提升品位后，再利用循环泵将高温流体输送至道面内部，通过道面热传导将热量传递到表面进而融冰化雪[19]，如图1-2所示。目前，该技术已被成功应用于北欧Goleniow机场和Oslo机场[20]。由此可见，流体加热融雪道面在国内具有广阔的应用前景。图1-2流体加热道面系统示意图[13]Fig.1-2Schematicdiagramofhydronicpavementsnowmeltingsystem目前学者们通过理论分析和室内外试验等手段，探究了流体加热道面的温度分布特性，明确了道面融雪化冰性能[21]，分析了管道布置参数和流体升温特性等对流体加热融雪道面系统的经济性影响[22]，阐明了流体管道的引入对道面在荷载应力作用下分布特性的影响规律。然而，目前对于流体加热融雪道面在高温流体作用下产生的温度应力缺乏研究，这会造成流体加热融雪道面实际应用存在重大的安全隐患。此外，当飞机荷载和高温流体同时作用于机场道面时，在热力耦合作用下道面内部应力分布将更加复杂。以上分析表明，研究流体加热融雪道面在温度应力和荷载应力共同作用下的力学响应是保障流体加热融雪道面安全的前提。近年来，伴随着传感器测试技术和数字图像处理技术的发展，水泥混凝土道面在飞机荷载作用下的应力/应变响应规律逐渐被揭示。这为本文研究流体加热道面在温度荷载作用下的应力/应变
第1章绪论-5-的加热差异[30]，且未考虑外界环境变化的多样性[31]，与实际情况差异较大，因此需要建立瞬态传热模型来准确地模拟实际融雪情况。1972年，Leal等人[32]采用有限差分法建立了道面板的瞬态融雪模型。在模型建立中采用了极坐标系统，并利用点匹配技术解决二维瞬态温度分布问题。假定试验板完全隔热，在表面无雪情况下，分析了试验板在高温、低温下的瞬态温度。1973年，Schnurrl等人[33]在稳态模型的基础上进行扩展研究，提出了二维瞬态显示差分模型。该模型采用稳态模型中的边界条件及假定，采用较粗的网格划分，得出了比较简易的近似解法，仅适用于计算道路表面处于无雪状态时的温度场模拟，不能精确地计算降雪及融雪过程中积雪的变化过程。2000年，Chiasson[34]针对流体加热试验板内部传热情况，在Schnurr的基础上对网格尺寸进行了优化，引入了多种算法对边界条件进行分析，将太阳辐射考虑在表面层的热量平衡中，在辐射热流密度中引入了天空有效温度值。该模型在雪层状态未发生变化时可以准确模拟实际情况，然而随着积雪逐渐融化，融化的雪水消耗表面热量，将表面温度降低至冰点，这种情况导致模型计算的路表温度结果较实际值偏大。2002年，Rees[35]针对二维瞬态模型关于热流管道及混凝土路面的几何结构划分问题，采用有限体积法对结构边界进行合适的网格划分，处理了复杂的管壁网格划分问题。该模型的突出贡献在于对降雪过程的路表的状态进一步划分为7种不同的阶段：干燥、潮湿、干雪、雪水、雪和雪水、固态冰、固态冰加水，如图1-3所示。图1-3积雪融化过程示意图Fig.1-3Schematicdiagramofpavementsnowmeltingprocess其中，雪和雪水阶段的传热过程最为复杂，具体情况如下：冰层质量平衡：
【参考文献】：
期刊论文
[1]荷载循环冲击下跑道软土沉降及孔压变化[J]. 韩培锋,姜兆华,樊晓一,田述军. 浙江工业大学学报. 2019(03)
[2]基于双目标优化的电动汽车有序充电控制策略[J]. 郑雪钦,吴景丽,熊军. 厦门理工学院学报. 2018(05)
[3]应急物资储备点选址多目标优化模型及算法研究[J]. 冯舰锐,盖文妹. 中国安全生产科学技术. 2018(06)
[4]B737主起落架轮胎接地压力分布[J]. 廖志高,袁捷,雷晓萍,史恩辉,刘诗福. 中国民航大学学报. 2017(04)
[5]足尺路面试验环道路面结构与材料设计[J]. 王旭东. 公路交通科技. 2017(06)
[6]翅片热管式真空集热管的热性能研究[J]. 黄秀勇,王军,王金平,王俊,张耀明. 太阳能学报. 2016(09)
[7]智能发电路面压电元件保护措施设计及能量输出[J]. 王朝辉,陈森,李彦伟,石鑫,李强. 中国公路学报. 2016(05)
[8]温度应力耦合作用下沥青路面应力与变形分析[J]. 易富,朱凤薇,杨宇婷. 硅酸盐通报. 2016(01)
[9]基于多种群遗传算法的电力系统多目标优化[J]. 陈碧云,韦杏秋,陈绍南,刘柏江. 电力系统及其自动化学报. 2015(07)
[10]耦合和非耦合效应下沥青路面受力对比分析研究[J]. 易富,金艳,高健,杨宇婷. 硅酸盐通报. 2015(03)
博士论文
[1]高温对C40高性能混凝土物理力学性能的影响[D]. 阎蕊珍.太原理工大学 2015
[2]基于热流耦合算法的大体积混凝土温度裂缝宏细观数值模拟[D]. 段寅.武汉大学 2013
[3]流体加热道路融雪系统温—湿耦合融雪模型及仿真分析[D]. 徐慧宁.哈尔滨工业大学 2011
[4]路面融雪化冰及太阳辐射吸热研究[D]. 黄勇.吉林大学 2010
[5]融雪化冰水泥混凝土路面研究[D]. 刘凯.长安大学 2010
[6]流体加热道路融雪传热传质特性研究[D]. 王华军.天津大学 2007
[7]冰雪地区橡胶颗粒沥青混合料应用技术的研究[D]. 周纯秀.哈尔滨工业大学 2006
[8]重载交通水泥混凝土路面材料与结构研究[D]. 蒋应军.长安大学 2005
[9]高温时高强混凝土压弯构件的试验研究及理论分析[D]. 胡海涛.西安建筑科技大学 2002
硕士论文
[1]碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土的制备及电热特性研究[D]. 刘凯.哈尔滨工业大学 2018
[2]飞机移动荷载作用下机场跑道动力响应研究[D]. 王云龙.浙江大学 2017
[3]基于多相夹杂理论的水泥混凝土热膨胀系数研究[D]. 吴小双.哈尔滨工业大学 2016
[4]多孔水泥混凝土路面热输出量化与温度预估模型研究[D]. 李鹏.长安大学 2016
[5]飞机场道耦合作用下场道振动响应分析[D]. 石兴娜.中国民航大学 2015
[6]基于水热式融雪技术桥面铺装温度场及力学研究[D]. 冯俊杰.长安大学 2015
[7]热力耦合作用下钢管混凝土试验与分析[D]. 姜赶超.武汉理工大学 2013
[8]基于飞机滑行刚性道面位移场的跑道承载力研究[D]. 董倩.中国民航大学 2013
[9]基于加热的寒区公路隧道路面防滑技术的试验研究与数值分析[D]. 宫成兵.长安大学 2012
[10]道路融雪化冰特性实验研究及其数值模拟[D]. 张磊.吉林大学 2009
本文编号：3379455
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：180 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
降雪导
蠊ぷ鳎?自斐珊桨嘌游螅?杂谕?行能力要求较高的机场存在显著的局限性。研究表明采用低冰点材料等化学方式及利用电、热等能量转化方式可实现机场道面主动除冰雪。主要包括低冰点填料道面[14]、流体加热道面[15]、热管加热道面[16]、电加热道面[17,18]等。其中流体加热道面以高效、环保、可控性强等优点，得到了广泛的关注。该方法利用热泵机组将外部热源（浅层地热、地热水及工业废热等）获取的低品位热量提升品位后，再利用循环泵将高温流体输送至道面内部，通过道面热传导将热量传递到表面进而融冰化雪[19]，如图1-2所示。目前，该技术已被成功应用于北欧Goleniow机场和Oslo机场[20]。由此可见，流体加热融雪道面在国内具有广阔的应用前景。图1-2流体加热道面系统示意图[13]Fig.1-2Schematicdiagramofhydronicpavementsnowmeltingsystem目前学者们通过理论分析和室内外试验等手段，探究了流体加热道面的温度分布特性，明确了道面融雪化冰性能[21]，分析了管道布置参数和流体升温特性等对流体加热融雪道面系统的经济性影响[22]，阐明了流体管道的引入对道面在荷载应力作用下分布特性的影响规律。然而，目前对于流体加热融雪道面在高温流体作用下产生的温度应力缺乏研究，这会造成流体加热融雪道面实际应用存在重大的安全隐患。此外，当飞机荷载和高温流体同时作用于机场道面时，在热力耦合作用下道面内部应力分布将更加复杂。以上分析表明，研究流体加热融雪道面在温度应力和荷载应力共同作用下的力学响应是保障流体加热融雪道面安全的前提。近年来，伴随着传感器测试技术和数字图像处理技术的发展，水泥混凝土道面在飞机荷载作用下的应力/应变响应规律逐渐被揭示。这为本文研究流体加热道面在温度荷载作用下的应力/应变
第1章绪论-5-的加热差异[30]，且未考虑外界环境变化的多样性[31]，与实际情况差异较大，因此需要建立瞬态传热模型来准确地模拟实际融雪情况。1972年，Leal等人[32]采用有限差分法建立了道面板的瞬态融雪模型。在模型建立中采用了极坐标系统，并利用点匹配技术解决二维瞬态温度分布问题。假定试验板完全隔热，在表面无雪情况下，分析了试验板在高温、低温下的瞬态温度。1973年，Schnurrl等人[33]在稳态模型的基础上进行扩展研究，提出了二维瞬态显示差分模型。该模型采用稳态模型中的边界条件及假定，采用较粗的网格划分，得出了比较简易的近似解法，仅适用于计算道路表面处于无雪状态时的温度场模拟，不能精确地计算降雪及融雪过程中积雪的变化过程。2000年，Chiasson[34]针对流体加热试验板内部传热情况，在Schnurr的基础上对网格尺寸进行了优化，引入了多种算法对边界条件进行分析，将太阳辐射考虑在表面层的热量平衡中，在辐射热流密度中引入了天空有效温度值。该模型在雪层状态未发生变化时可以准确模拟实际情况，然而随着积雪逐渐融化，融化的雪水消耗表面热量，将表面温度降低至冰点，这种情况导致模型计算的路表温度结果较实际值偏大。2002年，Rees[35]针对二维瞬态模型关于热流管道及混凝土路面的几何结构划分问题，采用有限体积法对结构边界进行合适的网格划分，处理了复杂的管壁网格划分问题。该模型的突出贡献在于对降雪过程的路表的状态进一步划分为7种不同的阶段：干燥、潮湿、干雪、雪水、雪和雪水、固态冰、固态冰加水，如图1-3所示。图1-3积雪融化过程示意图Fig.1-3Schematicdiagramofpavementsnowmeltingprocess其中，雪和雪水阶段的传热过程最为复杂，具体情况如下：冰层质量平衡：
【参考文献】：
期刊论文
[1]荷载循环冲击下跑道软土沉降及孔压变化[J]. 韩培锋,姜兆华,樊晓一,田述军. 浙江工业大学学报. 2019(03)
[2]基于双目标优化的电动汽车有序充电控制策略[J]. 郑雪钦,吴景丽,熊军. 厦门理工学院学报. 2018(05)
[3]应急物资储备点选址多目标优化模型及算法研究[J]. 冯舰锐,盖文妹. 中国安全生产科学技术. 2018(06)
[4]B737主起落架轮胎接地压力分布[J]. 廖志高,袁捷,雷晓萍,史恩辉,刘诗福. 中国民航大学学报. 2017(04)
[5]足尺路面试验环道路面结构与材料设计[J]. 王旭东. 公路交通科技. 2017(06)
[6]翅片热管式真空集热管的热性能研究[J]. 黄秀勇,王军,王金平,王俊,张耀明. 太阳能学报. 2016(09)
[7]智能发电路面压电元件保护措施设计及能量输出[J]. 王朝辉,陈森,李彦伟,石鑫,李强. 中国公路学报. 2016(05)
[8]温度应力耦合作用下沥青路面应力与变形分析[J]. 易富,朱凤薇,杨宇婷. 硅酸盐通报. 2016(01)
[9]基于多种群遗传算法的电力系统多目标优化[J]. 陈碧云,韦杏秋,陈绍南,刘柏江. 电力系统及其自动化学报. 2015(07)
[10]耦合和非耦合效应下沥青路面受力对比分析研究[J]. 易富,金艳,高健,杨宇婷. 硅酸盐通报. 2015(03)
博士论文
[1]高温对C40高性能混凝土物理力学性能的影响[D]. 阎蕊珍.太原理工大学 2015
[2]基于热流耦合算法的大体积混凝土温度裂缝宏细观数值模拟[D]. 段寅.武汉大学 2013
[3]流体加热道路融雪系统温—湿耦合融雪模型及仿真分析[D]. 徐慧宁.哈尔滨工业大学 2011
[4]路面融雪化冰及太阳辐射吸热研究[D]. 黄勇.吉林大学 2010
[5]融雪化冰水泥混凝土路面研究[D]. 刘凯.长安大学 2010
[6]流体加热道路融雪传热传质特性研究[D]. 王华军.天津大学 2007
[7]冰雪地区橡胶颗粒沥青混合料应用技术的研究[D]. 周纯秀.哈尔滨工业大学 2006
[8]重载交通水泥混凝土路面材料与结构研究[D]. 蒋应军.长安大学 2005
[9]高温时高强混凝土压弯构件的试验研究及理论分析[D]. 胡海涛.西安建筑科技大学 2002
硕士论文
[1]碳纤维/石墨烯导电沥青混凝土的制备及电热特性研究[D]. 刘凯.哈尔滨工业大学 2018
[2]飞机移动荷载作用下机场跑道动力响应研究[D]. 王云龙.浙江大学 2017
[3]基于多相夹杂理论的水泥混凝土热膨胀系数研究[D]. 吴小双.哈尔滨工业大学 2016
[4]多孔水泥混凝土路面热输出量化与温度预估模型研究[D]. 李鹏.长安大学 2016
[5]飞机场道耦合作用下场道振动响应分析[D]. 石兴娜.中国民航大学 2015
[6]基于水热式融雪技术桥面铺装温度场及力学研究[D]. 冯俊杰.长安大学 2015
[7]热力耦合作用下钢管混凝土试验与分析[D]. 姜赶超.武汉理工大学 2013
[8]基于飞机滑行刚性道面位移场的跑道承载力研究[D]. 董倩.中国民航大学 2013
[9]基于加热的寒区公路隧道路面防滑技术的试验研究与数值分析[D]. 宫成兵.长安大学 2012
[10]道路融雪化冰特性实验研究及其数值模拟[D]. 张磊.吉林大学 2009
本文编号：3379455
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