【摘要】：渡槽是我們熟知的一種長距離輸水建筑物,由于西北地區(qū)冬季氣候寒冷,冬季輸水時期渡槽水溫下降會產(chǎn)生冰花,槽體也會產(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,對冬季輸水過程中結(jié)冰水深的預(yù)測和分析尚不深入,因此,本文基于莊浪河長大渡槽工程,研究不同氣溫下的結(jié)冰臨界水深大小,及最不利工況時的溫度效應(yīng)問題,從而在實際輸水過程中對水深值進(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,采用模型和理論計算相結(jié)合的方式,依據(jù)流-固-熱耦合場進(jìn)行分析,研究保溫和不保溫時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)問題。最后對保溫和不保溫時不同外界氣溫下水深預(yù)測及溫度效應(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)冰時間的影響因素有:入口水溫t_w、外界氣溫t_f、水深h,有無保溫措施。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:水與空氣的對流換熱、空氣與渡槽壁面的對流換熱、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,對應(yīng)的水的入口流速越小,流經(jīng)渡槽時所用的時間越多,熱量損失越多,出口溫度越低。水深越大,對應(yīng)的水的入口流速越大,流經(jīng)渡槽時所用的時間越少,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,流經(jīng)整個渡槽時,槽內(nèi)水體溫度會降低到零度以下,產(chǎn)生冰害,摩擦碰撞槽體,對槽體結(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,可見水溫下降對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,且水深低于1m時,出口水溫會降低到零度以下,產(chǎn)生冰花,這對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,來減少熱量損失,從而保證即使在極端寒冷溫度時,渡槽水溫也不會降低到零度以下。(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。加蓋時熱量損失和水溫下降值比無保溫措施減小約0.34倍;附保溫板時熱量損失和水溫下降值比無保溫措施減小約0.16倍;加蓋同時附保溫板時熱量損失和水溫下降值比無保溫措施減小約0.47倍。其中加蓋且附保溫板時水溫下降值最少。(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流換熱系數(shù)。上述三個環(huán)節(jié)的熱流量表達(dá)式：熱流體向高溫壁面的對流換熱量為： kttA21f 1w1 （2.11）壁面間的對流換熱量為：Attww 122 （2.12）低溫壁面與冷流體對流換熱量為： 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。渡槽有無保溫措施時熱流量損失圖如圖 2.3、2.4 所示：
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV672.3

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本文編號：2703447