【摘要】：渡槽是我們熟知的一種長(zhǎng)距離輸水建筑物,由于西北地區(qū)冬季氣候寒冷,冬季輸水時(shí)期渡槽水溫下降會(huì)產(chǎn)生冰花,槽體也會(huì)產(chǎn)生裂縫,不利于渡槽安全輸水。隨著一系列引水工程的興起,渡槽引水安全研究逐漸進(jìn)入公眾視野。然而,對(duì)冬季輸水過(guò)程中結(jié)冰水深的預(yù)測(cè)和分析尚不深入,因此,本文基于莊浪河長(zhǎng)大渡槽工程,研究不同氣溫下的結(jié)冰臨界水深大小,及最不利工況時(shí)的溫度效應(yīng)問(wèn)題,從而在實(shí)際輸水過(guò)程中對(duì)水深值進(jìn)行控制,以滿足安全輸水的要求。本文根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行理論分析,應(yīng)用ANSYS FLORTAN軟件建立渡槽的空間三維立體模型,并引用導(dǎo)熱微分方程、牛頓冷卻公式和曼寧公式,采用模型和理論計(jì)算相結(jié)合的方式,依據(jù)流-固-熱耦合場(chǎng)進(jìn)行分析,研究保溫和不保溫時(shí)不同外界氣溫下水溫下降值與水深變化之間的關(guān)系,以及極端寒冷氣溫下溫度效應(yīng)問(wèn)題。最后對(duì)保溫和不保溫時(shí)不同外界氣溫下水深預(yù)測(cè)及溫度效應(yīng)研究進(jìn)行分析,可以得到如下結(jié)論:(1)槽內(nèi)水體結(jié)冰時(shí)間的影響因素有:入口水溫t_w、外界氣溫t_f、水深h,有無(wú)保溫措施。水溫降低本質(zhì)是由于槽內(nèi)水溫和外界溫度不同產(chǎn)生的溫差導(dǎo)致的。渡槽中水的熱量損失主要分為三部分:水與空氣的對(duì)流換熱、空氣與渡槽壁面的對(duì)流換熱、水沿渡槽槽身的熱傳導(dǎo)。(2)外界環(huán)境溫度相同的情況下,水深越小,對(duì)應(yīng)的水的入口流速越小,流經(jīng)渡槽時(shí)所用的時(shí)間越多,熱量損失越多,出口溫度越低。水深越大,對(duì)應(yīng)的水的入口流速越大,流經(jīng)渡槽時(shí)所用的時(shí)間越少,熱量損失越少,水溫降低值越小;外界大氣溫度越低,水的熱量損失越大,水溫下降的越多,出口水溫的溫度越低。當(dāng)外界氣溫達(dá)到-25℃時(shí),流經(jīng)整個(gè)渡槽時(shí),槽內(nèi)水體溫度會(huì)降低到零度以下,產(chǎn)生冰害,摩擦碰撞槽體,對(duì)槽體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害,不能保證安全輸水。(3)當(dāng)外界氣溫升高和水深增大,水體溫降都會(huì)減小,當(dāng)水深增大4.2倍,水溫降值減小約7倍;外界溫度下降5倍,水溫降值減小約3.3倍,可見(jiàn)水溫下降對(duì)水深度變化比較敏感,因此冬季輸水為保證槽內(nèi)水體不結(jié)冰,應(yīng)該保持槽內(nèi)較高流量。(4)當(dāng)外界溫度為-25℃的極端寒冷溫度時(shí),且水深低于1m時(shí),出口水溫會(huì)降低到零度以下,產(chǎn)生冰花,這對(duì)渡槽安全輸水是極為不安全的。因此可以采取頂部加蓋或附保溫板的措施,來(lái)減少熱量損失,從而保證即使在極端寒冷溫度時(shí),渡槽水溫也不會(huì)降低到零度以下。(5)渡槽頂部加蓋或附保溫板,流體熱量損失和水溫降低幅度明顯減小。加蓋時(shí)熱量損失和水溫下降值比無(wú)保溫措施減小約0.34倍;附保溫板時(shí)熱量損失和水溫下降值比無(wú)保溫措施減小約0.16倍;加蓋同時(shí)附保溫板時(shí)熱量損失和水溫下降值比無(wú)保溫措施減小約0.47倍。其中加蓋且附保溫板時(shí)水溫下降值最少。(6)渡槽內(nèi)壁溫度與水溫相等,渡槽外壁溫度接近大氣溫度,內(nèi)外溫度差會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力,使得渡槽壁面受溫度應(yīng)力影響,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,表面產(chǎn)生裂縫,這對(duì)槽體耐久性和使用壽命都有不利影響,因此應(yīng)該研究溫度效應(yīng)的大小。在極端寒冷溫度下,渡槽壁面溫度應(yīng)力是5.14MPa,可以采取相應(yīng)措施,以保證槽體結(jié)構(gòu)安全。
【圖文】：

單層平壁傳熱示意圖如圖2.2 所示：圖 2.2 傳熱過(guò)程示意圖式中，δ 為平壁厚度；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；tw1、tw1分別為平壁兩側(cè)面的溫度；A 為兩側(cè)面的面積；tf1、tf2分別為熱流體的溫度和冷流體的溫度；k1、k2分別為冷流體和熱流體與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)。上述三個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量表達(dá)式：熱流體向高溫壁面的對(duì)流換熱量為： kttA21f 1w1 （2.11）壁面間的對(duì)流換熱量為：Attww 122 （2.12）低溫壁面與冷流體對(duì)流換熱量為： kttA22w 2f2 （2.13）穩(wěn)態(tài)傳熱各部分換熱量相等，消去上式中 tw1、tw2得到單層平壁傳熱量公式為：

12)12(111ffqkttkkk （2.14）以此類推，多層平壁傳熱量為：12)1122(111ffni iiqkttkkkqA （2.15）式中，Φ2為傳熱散失的熱量，W；n 為平壁的層數(shù)；δi為平壁厚度，，m；λi為第 i壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）；k 為綜合換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；q 為熱流密度，2；A 為兩側(cè)面的面積，m2。渡槽有無(wú)保溫措施時(shí)熱流量損失圖如圖 2.3、2.4 所示：
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TV672.3

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本文編號(hào)：2703447