流體加熱融雪道面系統(tǒng)作為一種主動、高效、環(huán)保、可控的新型機場道面融雪技術受到學者們的廣泛關注。研究人員通過理論模擬、室內外試驗觀測等手段,探究了道面的融雪性能及影響因素。然而,針對流體加熱融雪道面加熱過程中的溫度應力,以及溫度應力與荷載應力共同作用下的道面力學響應缺乏研究,使得流體加熱融雪道面在實際應用中的安全性遭受質疑。針對以上問題,本文開發(fā)了室內外流體加熱融雪道面溫度應變監(jiān)測系統(tǒng),分析了加熱過程中道面溫度應變的分布特性,建立了流體加熱道面溫度應力數(shù)值模型并基于試驗數(shù)據(jù)進行了驗證,探究了道面溫度應力的分布特性,闡明了溫度應力與飛機荷載應力的耦合關系,從融雪-力學雙目標優(yōu)化角度確定了合理的流體加熱道面系統(tǒng)設計及運行參數(shù),并將研究成果用于指導北京大興國際機場流體加熱道面工程設計和運行。主要內容及成果如下:考慮機場道面結構與地下土壤熱源分布,在室內流體加熱道面力學性能試驗分析基礎上,建立了室外足尺流體加熱融雪道面及配套監(jiān)測系統(tǒng)。分析了加熱過程中道面溫度應變的分布特性,對比了流體加熱道面與普通道面的溫度應變分布差異,明確了熱流的引入對道面溫度應變的影響規(guī)律,闡明了道面溫度與應變的關系。結果表... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：180 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

降雪導

蠊ぷ鰨?自斐珊槳嘌游螅?雜諭?行能力要求較高的機場存在顯著的局限性。研究表明采用低冰點材料等化學方式及利用電、熱等能量轉化方式可實現(xiàn)機場道面主動除冰雪。主要包括低冰點填料道面[14]、流體加熱道面[15]、熱管加熱道面[16]、電加熱道面[17,18]等。其中流體加熱道面以高效、環(huán)保、可控性強等優(yōu)點，得到了廣泛的關注。該方法利用熱泵機組將外部熱源（淺層地熱、地熱水及工業(yè)廢熱等）獲取的低品位熱量提升品位后，再利用循環(huán)泵將高溫流體輸送至道面內部，通過道面熱傳導將熱量傳遞到表面進而融冰化雪[19]，如圖1-2所示。目前，該技術已被成功應用于北歐Goleniow機場和Oslo機場[20]。由此可見，流體加熱融雪道面在國內具有廣闊的應用前景。圖1-2流體加熱道面系統(tǒng)示意圖[13]Fig.1-2Schematicdiagramofhydronicpavementsnowmeltingsystem目前學者們通過理論分析和室內外試驗等手段，探究了流體加熱道面的溫度分布特性，明確了道面融雪化冰性能[21]，分析了管道布置參數(shù)和流體升溫特性等對流體加熱融雪道面系統(tǒng)的經濟性影響[22]，闡明了流體管道的引入對道面在荷載應力作用下分布特性的影響規(guī)律。然而，目前對于流體加熱融雪道面在高溫流體作用下產生的溫度應力缺乏研究，這會造成流體加熱融雪道面實際應用存在重大的安全隱患。此外，當飛機荷載和高溫流體同時作用于機場道面時，在熱力耦合作用下道面內部應力分布將更加復雜。以上分析表明，研究流體加熱融雪道面在溫度應力和荷載應力共同作用下的力學響應是保障流體加熱融雪道面安全的前提。近年來，伴隨著傳感器測試技術和數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展，水泥混凝土道面在飛機荷載作用下的應力/應變響應規(guī)律逐漸被揭示。這為本文研究流體加熱道面在溫度荷載作用下的應力/應變

第1章緒論-5-的加熱差異[30]，且未考慮外界環(huán)境變化的多樣性[31]，與實際情況差異較大，因此需要建立瞬態(tài)傳熱模型來準確地模擬實際融雪情況。1972年，Leal等人[32]采用有限差分法建立了道面板的瞬態(tài)融雪模型。在模型建立中采用了極坐標系統(tǒng)，并利用點匹配技術解決二維瞬態(tài)溫度分布問題。假定試驗板完全隔熱，在表面無雪情況下，分析了試驗板在高溫、低溫下的瞬態(tài)溫度。1973年，Schnurrl等人[33]在穩(wěn)態(tài)模型的基礎上進行擴展研究，提出了二維瞬態(tài)顯示差分模型。該模型采用穩(wěn)態(tài)模型中的邊界條件及假定，采用較粗的網格劃分，得出了比較簡易的近似解法，僅適用于計算道路表面處于無雪狀態(tài)時的溫度場模擬，不能精確地計算降雪及融雪過程中積雪的變化過程。2000年，Chiasson[34]針對流體加熱試驗板內部傳熱情況，在Schnurr的基礎上對網格尺寸進行了優(yōu)化，引入了多種算法對邊界條件進行分析，將太陽輻射考慮在表面層的熱量平衡中，在輻射熱流密度中引入了天空有效溫度值。該模型在雪層狀態(tài)未發(fā)生變化時可以準確模擬實際情況，然而隨著積雪逐漸融化，融化的雪水消耗表面熱量，將表面溫度降低至冰點，這種情況導致模型計算的路表溫度結果較實際值偏大。2002年，Rees[35]針對二維瞬態(tài)模型關于熱流管道及混凝土路面的幾何結構劃分問題，采用有限體積法對結構邊界進行合適的網格劃分，處理了復雜的管壁網格劃分問題。該模型的突出貢獻在于對降雪過程的路表的狀態(tài)進一步劃分為7種不同的階段：干燥、潮濕、干雪、雪水、雪和雪水、固態(tài)冰、固態(tài)冰加水，如圖1-3所示。圖1-3積雪融化過程示意圖Fig.1-3Schematicdiagramofpavementsnowmeltingprocess其中，雪和雪水階段的傳熱過程最為復雜，具體情況如下：冰層質量平衡：

【參考文獻】：
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本文編號：3379455