长大渡槽冬季输水期结冰水深预测与温度效应研究

发布时间：2020-06-08 18:10

【摘要】：渡槽是我们熟知的一种长距离输水建筑物,由于西北地区冬季气候寒冷,冬季输水时期渡槽水温下降会产生冰花,槽体也会产生裂缝,不利于渡槽安全输水。随着一系列引水工程的兴起,渡槽引水安全研究逐渐进入公众视野。然而,对冬季输水过程中结冰水深的预测和分析尚不深入,因此,本文基于庄浪河长大渡槽工程,研究不同气温下的结冰临界水深大小,及最不利工况时的温度效应问题,从而在实际输水过程中对水深值进行控制,以满足安全输水的要求。本文根据稳态传热过程进行理论分析,应用ANSYS FLORTAN软件建立渡槽的空间三维立体模型,并引用导热微分方程、牛顿冷却公式和曼宁公式,采用模型和理论计算相结合的方式,依据流-固-热耦合场进行分析,研究保温和不保温时不同外界气温下水温下降值与水深变化之间的关系,以及极端寒冷气温下温度效应问题。最后对保温和不保温时不同外界气温下水深预测及温度效应研究进行分析,可以得到如下结论:(1)槽内水体结冰时间的影响因素有:入口水温t_w、外界气温t_f、水深h,有无保温措施。水温降低本质是由于槽内水温和外界温度不同产生的温差导致的。渡槽中水的热量损失主要分为三部分:水与空气的对流换热、空气与渡槽壁面的对流换热、水沿渡槽槽身的热传导。(2)外界环境温度相同的情况下,水深越小,对应的水的入口流速越小,流经渡槽时所用的时间越多,热量损失越多,出口温度越低。水深越大,对应的水的入口流速越大,流经渡槽时所用的时间越少,热量损失越少,水温降低值越小;外界大气温度越低,水的热量损失越大,水温下降的越多,出口水温的温度越低。当外界气温达到-25℃时,流经整个渡槽时,槽内水体温度会降低到零度以下,产生冰害,摩擦碰撞槽体,对槽体结构产生危害,不能保证安全输水。(3)当外界气温升高和水深增大,水体温降都会减小,当水深增大4.2倍,水温降值减小约7倍;外界温度下降5倍,水温降值减小约3.3倍,可见水温下降对水深度变化比较敏感,因此冬季输水为保证槽内水体不结冰,应该保持槽内较高流量。(4)当外界温度为-25℃的极端寒冷温度时,且水深低于1m时,出口水温会降低到零度以下,产生冰花,这对渡槽安全输水是极为不安全的。因此可以采取顶部加盖或附保温板的措施,来减少热量损失,从而保证即使在极端寒冷温度时,渡槽水温也不会降低到零度以下。(5)渡槽顶部加盖或附保温板,流体热量损失和水温降低幅度明显减小。加盖时热量损失和水温下降值比无保温措施减小约0.34倍;附保温板时热量损失和水温下降值比无保温措施减小约0.16倍;加盖同时附保温板时热量损失和水温下降值比无保温措施减小约0.47倍。其中加盖且附保温板时水温下降值最少。(6)渡槽内壁温度与水温相等,渡槽外壁温度接近大气温度,内外温度差会产生温度应力,使得渡槽壁面受温度应力影响,结构产生变形,表面产生裂缝,这对槽体耐久性和使用寿命都有不利影响,因此应该研究温度效应的大小。在极端寒冷温度下,渡槽壁面温度应力是5.14MPa,可以采取相应措施,以保证槽体结构安全。
【图文】：

单层平壁传热示意图如图2.2 所示：图 2.2 传热过程示意图式中，δ 为平壁厚度；λ 为导热系数；tw1、tw1分别为平壁两侧面的温度；A 为两侧面的面积；tf1、tf2分别为热流体的温度和冷流体的温度；k1、k2分别为冷流体和热流体与壁面的对流换热系数。上述三个环节的热流量表达式：热流体向高温壁面的对流换热量为： kttA21f 1w1 （2.11）壁面间的对流换热量为：Attww 122 （2.12）低温壁面与冷流体对流换热量为： kttA22w 2f2 （2.13）稳态传热各部分换热量相等，消去上式中 tw1、tw2得到单层平壁传热量公式为：

12)12(111ffqkttkkk （2.14）以此类推，多层平壁传热量为：12)1122(111ffni iiqkttkkkqA （2.15）式中，Φ2为传热散失的热量，W；n 为平壁的层数；δi为平壁厚度，，m；λi为第 i壁的导热系数，W/（m2·℃）；k 为综合换热系数，W/（m2·℃）；q 为热流密度，2；A 为两侧面的面积，m2。渡槽有无保温措施时热流量损失图如图 2.3、2.4 所示：
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV672.3

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王梦雅;夏富洲;;基于可拓理论的渡槽结构老化评价[J];武汉大学学报(工学版);2014年02期

2 廉鹏;;渡槽结构抗风分析[J];技术与市场;2011年06期

3 何利涛;朱文新;;预应力钢筋混凝土渡槽结构三维有限元计算分析[J];西北水电;2011年04期

4 侯宇新;胡明yN;李伟;;钢筋混凝土渡槽结构地震反应数值分析[J];地震工程与工程振动;2007年04期

5 楼梦麟;潘旦光;任志刚;李遇春;尚伟;朱军;;渡槽结构的抗震安全性分析[J];水利水电技术;2006年05期

6 吴红华,李正农,楼梦麟;排架支撑式渡槽结构风致反应的动力有限元计算和分析[J];地震工程与工程振动;2004年01期

7 吴轶,莫海鸿,杨春;大型拱式U型薄壳渡槽结构的模态分析[J];华南理工大学学报(自然科学版);2003年03期

8 李正农,吴红华,楼梦麟;排架支承式渡槽结构自振特性的分析[J];地震工程与工程振动;2003年04期

9 吴红华,李正农,袁文阳,袁志刚;渡槽结构地震反应的时程分析[J];中国农村水利水电;2002年05期

10 徐建国,李育文,王红卫;一种简支渡槽结构自振特性研究的方法[J];郑州轻工业学院学报;2001年04期

相关会议论文 前10条

1 黄亮;王博;徐建国;侯玉洁;;纵向地震动输入下的大型渡槽结构减振控制研究[A];第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册[C];2009年

2 吴红华;李正农;楼梦麟;;渡槽结构的弯矩风振系数和剪力风振系数[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2002年

3 彭辉;雷进生;;南水北调中线漕河渡槽结构地震动力特性研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集（上册）[C];2009年

4 吕苑;;高地震烈度区渡槽结构动静力分析[A];云南省水利学会2014年度学术交流会论文集[C];2014年

5 王瑜波;袁文阳;;渡槽结构模型动力特性试验[A];第14届全国结构工程学术会议论文集（第三册）[C];2005年

6 王鹏;杜守军;;一种基于频率测量的渡槽结构损伤识别方法[A];第14届全国结构工程学术会议论文集（第三册）[C];2005年

7 吕国梁;张传健;;大型输水渡槽的设计与施工研讨[A];调水工程应用技术研究与实践[C];2009年

8 楼梦麟;段秋华;;排架式渡槽竖向地震反应的振动台模型试验[A];首届全国水工抗震防灾学术会议论文集[C];2006年

9 白新理;梁醒培;黄和法;刘宪亮;;渡槽结构优化设计的解析灵敏度算法[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2000年

10 柳雅敏;游万敏;职承杰;;大型涵洞式渡槽的布置与设计[A];调水工程应用技术研究与实践[C];2009年

相关重要报纸文章 前4条

1 陈华;大型预应力U型薄壳渡槽施工技术创新[N];科技日报;2004年

2 王孟鹤;过硬质量铸千秋伟业[N];平顶山日报;2017年

3 采写 南方日报记者 吴珂 统筹 戎明昌 辛均庆;十里彩虹跨长岗 惠及民众三十七年[N];南方日报;2018年

4 章登文;廖坊灌区二期工程西干主渠全线贯通[N];抚州日报;2019年

相关博士学位论文 前4条

1 周振纲;桩—土—渡槽结构相互作用的拟动力试验及计算研究[D];湖南大学;2014年

2 徐建国;大型渡槽结构抗震分析方法及其应用[D];大连理工大学;2005年

3 黄亮;大型渡槽结构半主动控制研究[D];郑州大学;2010年

4 王云仓;三向预应力多侧墙渡槽结构研究[D];天津大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 李文;长大渡槽冬季输水期结冰水深预测与温度效应研究[D];兰州交通大学;2019年

2 刘昆鹏;地震作用下橡胶支座对渡槽隔震效果研究[D];华北水利水电大学;2019年

3 程昱;基于多重环境时间相似理论的灌区渡槽结构寿命预测[D];华北水利水电大学;2019年

4 肖慧慧;超大型水利渡槽槽上运槽安全性评价[D];华北水利水电大学;2019年

5 温嘉琦;基于模型修正的多跨渡槽动力仿真研究[D];华北水利水电大学;2019年

6 王海龙;基于虚拟现实的渡槽灾变仿真[D];华北水利水电大学;2019年

7 尚峰;在役钢筋混凝土渡槽安全性评价与时变可靠度研究[D];中原工学院;2019年

8 张岩;混凝土渡槽结构健康诊断系统研究[D];西北农林科技大学;2019年

9 赵龙辉;龙场渡槽基础边坡稳定性研究[D];贵州大学;2019年

10 孟胜毅;高墩大跨连续刚构渡槽箱梁腹板受力状态研究[D];重庆交通大学;2018年

本文编号：2703447