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流体加热桥面融雪化冰性能三维数值模拟与分析

流体加热桥面融雪化冰性能三维数值模拟与分析

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作者：陈文举山东大学

学位级别：硕士

交通运输是经济快速发展的基础支撑,其中公路是我国道路交通体系中的关键组成部分。据统计,我国70%以上的道路冬季会遭受冰雪天气的影响,导致交通事故量增加、道路通行能力及交通运输效率降低等严重后果。然而,目前常用的机械法和化学... 详细信息

交通运输是经济快速发展的基础支撑,其中公路是我国道路交通体系中的关键组成部分。据统计,我国70%以上的道路冬季会遭受冰雪天气的影响,导致交通事故量增加、道路通行能力及交通运输效率降低等严重后果。然而,目前常用的机械法和化学融雪法等“被动式”除冰除雪技术,存在除雪效率低、环境污染破坏大等问题。随着人们对于路面行驶状况、道路结构耐久性防护、低碳发展和环境保护的日益重视,流体加热等“主动式”融冰化雪技术受到了越来越多的关注。循环流体加热是一种主动、绿色、高效的新型路面融冰雪技术。研究人员通过理论分析、数值模拟和室内外试验及观测等手段,对其融雪效能及关键影响因素开展了诸多研究。然而,针对“沥青混凝土+水泥混凝土”桥面流体加热融冰雪系统布设和融冰雪效能分析缺乏系统研究;另外,已有数值模拟分析多忽略管道流体问题的沿程损失(即采用竖向断面的二维简化模型),导致对于该技术的三维融雪效能及特征认知不足。针对上述问题,本文基于Comsol Multiphysics软件平台,通过自定义设定和开发,构建了“沥青混凝土+水泥混凝土”桥面流体加热技术融冰雪效能三维数值分析模型。基于热-力耦合计算,分析了桥面加热过程温度应力及应变的变化与分布特征,并将研究结果用于指导山东省第一条旅游公路S103百而崖桥基于浅层地热能的流体加热桥面融冰雪系统设计和实施。主要内容及结论如下:针对流体加热沥青混凝土+水泥混凝土桥面结构特点,构建了简化的路面温度场的三维非稳态导热模型,并对“路面-雪层-环境”的复杂传热传质边界进行了定义和处理;基于Comsol Multiphysics软件平台,实现了对上述模型的数值求解和后处理分析;通过与文献中试验及数值模拟数据对比分析,验证了所构建的融雪效能三维数值模型分析方法的准确性。基于三维数值模拟分析,研究了埋管间距、埋管深度、雪层厚度、初始温度以及管道尺寸等关键参数对流体加热桥面融雪效能的影响水平与规律,并推荐了关键参数的设计取值;分析了管道流体温度沿程损失规律及其对桥面融雪均匀性的影响;基于热-力耦合分析数值模型,揭示了基于浅层地热能的流体加热过程桥面温度应力及应变变化和分布特性。结合S103旅游公路百而崖桥特点和济南地域地热及气候特征,研究了基于浅层地热能开发的流体加热融冰雪系统设计方法,提出了桥面地下及桥面换热系统关键设计参数、技术要求和监测评价方案,并完成了工程实际应用。相关成果可为后续融雪效能跟踪评价和类似工程推广应用提供可靠的技术支撑。

关键词：流体加热桥面三维融雪模型融雪效能分析热-力耦合

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