气象要素对寒区隧道温度场影响及纵向分区研究

发布时间：2017-03-30 23:29

  本文关键词：气象要素对寒区隧道温度场影响及纵向分区研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：面对国际经济合作和竞争格局的深刻变化,顺应国内经济提质增效升级的迫切需要,我国积极倡导构建“横贯东西、纵贯南北、内畅外通”的综合运输大通道,在建及拟建寒区隧道工程日益增多。然而就我国当前寒区隧道工程运营现状而言,隧道冻害顽疾尚未攻破,新建隧道中仍然出现大量渗漏冻害现象。本论文以中国铁路总公司科技研究开发计划课题“寒区高速铁路隧道防寒排水设计关键技术”项目为依托,综合运用理论研究、现场试验、数值模拟、数理统计等方法,建立了寒区隧道“空气—衬砌—围岩”流、固耦合传热三维数值计算模型,重点探究气象要素对寒区隧道温度场的影响,主要成果及结论如下：(1)本文在调研相关文献的基础上,针对寒区隧道工程中多物理场之间的强耦合关系,以空气、地下水、围岩、防排水设施内水流场等多个基本场为骨架,编制了寒区隧道多场耦合关系图；(2)通过整理、分析瓦房店隧道现场实测数据,得到了瓦房店隧道洞外气温随时间变化函数、洞内气温分布规律以及洞内、外气温之间的随动关系,并结合隧址周边环境特点,分析了瓦房店隧道洞口风速、风频与凌源地区风速、风频之间的关系,结果表明,地形地貌对隧址小气候的形成有重要影响；(3)以现场试验数据为边界条件,建立了瓦房店隧道“空气—衬砌—围岩”流、固耦合传热数值计算模型,并对比计算值与实测值,验证了该计算模型的可靠性；(4)通过理论分析各气象要素的基本特征及其对寒区隧道温度场的影响机制,提出将多气象要素与隧道具体条件相结合,抽象出洞口气温、等效自然风速两项气象要素综合指标作为寒区隧道流、固耦合传热数值模拟的边界输入条件；(5)根据隧道内自然风流形成的主导因素不同,提出将寒区隧道分为自然风主导型隧道、热位差主导型隧道、自然风与热位差共同主导型隧道、大气气压梯度影响型隧道。通过三维瞬态非线性分析,得到了隧道洞口最冷月平均气温、冬季主导风风向、风速对自然风主导型隧道温度场的影响规律。在多工况数值的基础上,引入多元非线性逐步回归方法,得到了特定条件下的寒区隧道温度场纵向影响长度与洞口气温、等效自然风速之间的非线性回归表达式。结果表明,洞口气温与等效自然风速对寒区隧道温度场的影响程度均较大,且二者有相互加强的作用,建议寒区隧道防寒保温设计以洞口气温、等效自然风速作为气象要素基本参考指标,并结合围岩条件、水文条件确定防寒排水设施类型。(6)初步提出了寒区隧道纵向防寒分区的原则和相应标准,并以隧道洞内最冷月平均气温-3℃位置、最冷日平均气温0℃位置作为分区阈值,将隧道沿纵向分为防寒强影响区、弱影响区和无影响区,并针对京沈客专某隧道进行了纵向防寒分区。
【关键词】：寒区 隧道 气象要素 温度场 纵向分区
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U457.2
【目录】：

• 摘要6-7
• abstract7-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 问题的提出12-13
• 1.2 课题的研究意义13-14
• 1.3 国内外研究现状14-22
• 1.3.1 关于寒区隧道温度场分布规律的研究14-15
• 1.3.2 关于寒区隧道温度场数值模拟的研究15-16
• 1.3.3 气象要素与寒区隧道温度场关系研究16-20
• 1.3.4 寒区隧道纵向防寒设防长度的应用现状20-22
• 1.4 研究目标与内容22-23
• 1.5 研究方法与技术路线23-25
• 第2章 寒区隧道流、固耦合传热理论研究25-35
• 2.1 寒区隧道多场耦合问题理论研究25-26
• 2.2 寒区隧道空气动力学、传热学基本理论研究26-29
• 2.2.1 隧道空气动力学基本方程26-27
• 2.2.2 隧道传热学基本理论27-29
• 2.3 计算流体动力学基本理论29-32
• 2.3.1 基本思想29
• 2.3.2 计算流体力学求解过程29-30
• 2.3.3 CFD数值模拟方法及分类30-31
• 2.3.4 有限体积法的基本理论31-32
• 2.4 寒区隧道流、固耦合传热在FLUENT中的实现32-34
• 2.4.1 基本假定32-33
• 2.4.2 物理模型的确定33
• 2.4.3 边界条件的处理33-34
• 2.4.4 算法的选择34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 瓦房店隧道温度场测试及数值模拟35-54
• 3.1 瓦房店隧道工程背景35-37
• 3.1.1 工程概况35
• 3.1.2 地形地貌与工程地质35-36
• 3.1.3 气象与水文36
• 3.1.4 隧道防寒排水设计方案36-37
• 3.2 隧址局部气象测试及洞内气温测试37-45
• 3.2.1 试验内容及器材37-39
• 3.2.3 试验测点布置及监测频率39-40
• 3.2.4 试验结果与分析40-45
• 3.3 瓦房店隧道流、固耦合传热数值模拟45-52
• 3.3.1 模型的建立46-47
• 3.3.2 计算参数的选取与边界条件的确定47
• 3.3.3 瓦房店隧道原始地温场研究47-49
• 3.3.4 计算结果与分析49-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 气象要素对寒区隧道温度场的影响研究54-87
• 4.1 气象要素理论分析及工况抽象54-63
• 4.1.1 洞口气温54-55
• 4.1.2 隧道内自然风流的形成与等效自然风速计算55-59
• 4.1.3 洞内自然风流对隧道温度场影响初步分析59-60
• 4.1.4 空气湿度对隧道温度场影响理论分析60-62
• 4.1.5 太阳辐射对隧道温度场影响分析62
• 4.1.6 气象要素综合指标的确定62-63
• 4.2 计算模型及定解条件63-67
• 4.2.1 模型的建立63-64
• 4.2.2 边界条件的确定64
• 4.2.3 初始条件及材料参数64-66
• 4.2.4 考察点的选择66
• 4.2.5 本算例气象要素工况数值模拟实现66-67
• 4.3 最冷月平均气温对寒区隧道温度场的影响67-71
• 4.4 主导风风向对寒区隧道温度场的影响71-76
• 4.5 主导风风速对寒区隧道温度场的影响76-78
• 4.6 气象要素对寒区隧道温度场纵向影响多元回归分析78-86
• 4.6.1 纵向影响判别指标的确定78-79
• 4.6.2 计算模型及相关参数79-81
• 4.6.3 计算工况81-82
• 4.6.4 指标回归基本思想82
• 4.6.5 计算结果及回归分析82-86
• 4.7 本章小结86-87
• 第5章 寒区隧道纵向防寒分区研究87-98
• 5.1 隧道纵向防寒分区的提出及意义87
• 5.2 隧道纵向防寒分区初步研究87-93
• 5.2.1 分区原则与相应标准87-88
• 5.2.2 分区阈值的探讨88-89
• 5.2.3 洞内气温分布计算89-93
• 5.3 纵向防寒分区计算示例93-97
• 5.3.1 工程背景94
• 5.3.2 相关计算参数94-95
• 5.3.3 结果分析及纵向防寒分区的确定95-97
• 5.4 本章小结97-98
• 结论与展望98-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-106
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果106

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