劉洋

（鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039）

我國的北部寒區(qū)冬季氣溫偏低，同時日溫差較大，輸水渡槽容易結(jié)冰，并對輸水過程和渡槽的結(jié)構(gòu)安全造成不利影響[1]。在渡槽的外表面增設保溫板對混凝土保溫隔熱，具有操作方便，保溫效果好的優(yōu)勢，在水利工程中具有廣泛的應用。針對渡槽混凝土外表面常用的聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，如何在保證保溫效果的前提下兼顧其經(jīng)濟性就成為重要的研究課題。

1 保溫板保溫原理

在混凝土渡槽外表面設置保溫板可以有效阻止混凝土與冷空氣的熱交換，起到顯著的保溫作用。保溫板與周圍大氣接觸面屬于第三類邊界條件，表面敷設有保溫板的混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度滿足如下公式：

式中：λ為保溫板的導熱系數(shù)；β為保溫板的外表面散熱系數(shù)；Ta為大氣溫度，℃；T為渡槽內(nèi)水溫，℃。

由于復合材料構(gòu)成比較復雜，特別是混凝土和保溫材料的熱力學屬性差異較大，采用簡單的傳導方程進行散熱計算無疑是不準確的，近年來部分專家在原有方法的基礎上進行了一系列的方法研究[2]，下面主要介紹等效表面散熱系數(shù)法，其計算公式如下：

式中：K為修正系數(shù)，主要由風速以及保溫板與混凝土的接觸緊密性等條件決定，通常取0.14～0.16；hi為保溫板的厚度，m；λi保溫板的導熱系數(shù)。

2 保溫材料簡介

保溫材料指的是抵抗冷流入侵的材料或材料復合體。目前，巖棉、玻璃棉以及膨脹珍珠土等傳統(tǒng)保溫材料雖然價格較低，但是存在導熱系數(shù)大、吸濕性差等顯著缺陷，并不是混凝土渡槽的理想保溫材料。相對于普通保溫材料，以聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料等新型保溫材料雖然價格稍高，但是具有密度小、導熱系數(shù)小、吸濕性小、施工方便等諸多優(yōu)勢[3]。其中硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑像作為一種高質(zhì)量的保溫材料，具有良好的化學不變性和良好的耐磨性，在水利施工領(lǐng)域得到了廣泛應用，其具體理化性能如表1所示。

表1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑理化性能

根據(jù)GB50176-93《民用建筑熱工設計規(guī)范》，硬泡聚氨酯保溫層材料的比熱容為1390 J/（kg·℃），根據(jù)公式（2）計算獲得不同厚度聚氨酯保溫板的表面散熱系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同厚度聚氨酯保溫板表面散熱系數(shù)

3 計算模型的建立

在研究過程中，以某輸水工程的混凝土渡槽為例，建立ANSYS有限元模型。其中，渡槽的長度取10 m，寬度取4.5 m，高度取4.2 m，混凝土壁厚取0.2 m。渡槽內(nèi)的水體長度和寬度與渡槽規(guī)格一致，高度按設計流量折算為3.22 m?；炷炼刹鄄垠w選用熱質(zhì)量單元solid70，水體選用三維的fluid 142單元。在平面直角坐標系下對構(gòu)建的三維數(shù)值模型進行網(wǎng)格劃分，由于水體是主要研究對象，因此水體的網(wǎng)格間距設定為0.1 m，槽身的間距設定為0.2 m[4]。在有限元計算過程中，將外界溫度場設定為穩(wěn)定溫度場，水的入口溫度定義為4℃，環(huán)境溫度分別取-11℃，-16℃，-25℃極端氣溫?？紤]到我國北方寒區(qū)冬季氣溫較低，太陽與水的相互輻射量很小，在計算過程中不予考慮[5]。此外，水體沿Z方向基本不存在溫度變化，因此僅考慮X，Y兩個方向的熱通量。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 采用聚氨酯保溫層的熱通量計算

顯然，渡槽內(nèi)水流速度慢，外界環(huán)境低的情況下，水體散失的熱量最多，水溫下降也最快[6]。因此，在熱通量計算過程中，采用入口流速為1.00 m/s，外界環(huán)境溫度為-25℃工況，利用有限元模型對不同厚度保溫層條件下的熱通量進行計算。由計算結(jié)果可知，當保溫層的厚度分別為2，5，7 cm時，水體沿混凝土渡槽側(cè)壁X方向的熱通量分別為3.1，2.2，和1.8 w/m2；沿Y方向的熱通量分別為3.3，2.3，和1.8 w/m2?？傮w來看，熱通量隨著保溫層的厚度增加而遞減，說明保溫層越厚，熱量通過渡槽側(cè)壁的散失越少，保溫效果越好。但是，當保溫層厚度大于5 cm時，熱通量的減少幅度明顯收窄，因此，考慮到經(jīng)濟性，將保溫層厚度設定為5 cm即可達到預期的保溫效果。

4.2 水溫計算

根據(jù)上節(jié)的計算結(jié)果，采用厚度為5 cm的聚氨酯硬質(zhì)保溫板，對水體流速為1.00 m/s，-11，-16，-25 ℃不同的外界環(huán)境溫度荷載，運用有限元模型求得的熱通量計算出渡槽平壁傳遞的熱量，并進一步獲得渡槽內(nèi)的水溫。不同環(huán)境溫度工況下的渡槽內(nèi)水的熱量損失和平均溫度的計算結(jié)果如表3～5所示。從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著渡槽長度的增加，槽內(nèi)水體熱量損失也不斷增加，而槽內(nèi)水溫則持續(xù)降低，但是在-25℃的最不利工況下，2 200 m處槽內(nèi)水溫仍有3.171℃，完全可以滿足輸水保溫需求。

表3 環(huán)境溫度為-11℃時熱量損失與平均溫度計算結(jié)果

表4 環(huán)境溫度為-16℃時熱量損失與平均溫度計算結(jié)果

4.3 渡槽有無保溫層的溫度對比

在水體流速為1.00 m/s，-11，-16，-25 ℃3種不同的外界環(huán)境溫度荷載條件下，對渡槽內(nèi)水體溫度進行計算，得到如圖7～9的溫度對比曲線。由對比曲線可知，在渡槽混凝土外表面敷設聚氨酯保溫板可以提高槽內(nèi)水溫1～3℃，同時外界環(huán)境溫度越低保溫效果越明顯。因此，厚5 cm的聚氨酯硬質(zhì)保溫板可以起到有效的保溫作用，對保證渡槽在冬季低溫情況下的正常輸水以及槽體本身的結(jié)構(gòu)安全具有重要作用。

表5 環(huán)境溫度為-25℃時熱量損失與平均溫度計算結(jié)果

圖1 -11℃工況下渡槽水溫對比曲線

圖2 -16℃工況下渡槽水溫對比曲線

5 結(jié)論

文章針對我國北方寒區(qū)矩形渡槽外面敷設聚氨酯保溫層情況下的水體溫度效應，并獲得了如下結(jié)論：

1）渡槽外壁敷設保溫層可有效阻止熱交換，減少槽內(nèi)水體的熱量損失，提高水體溫度。

圖3 -25℃工況下渡槽水溫對比曲線

2）以某輸水工程的混凝土渡槽為例，建立ANSYS有限元模型，計算出不同環(huán)境溫度工況下的渡槽邊壁熱通量，考慮經(jīng)濟性和保溫效果，確定保溫層厚度為5 cm。

3）隨著渡槽長度的增加，槽內(nèi)水體熱量損失也不斷增加，而槽內(nèi)水溫則持續(xù)降低，但是在-25℃的最不利工況下，2 200 m處槽內(nèi)水溫仍有3.171℃，完全可以滿足輸水保溫需求。

4）渡槽有無保溫層的溫度對比顯示，聚氨酯硬質(zhì)保溫板可以起到有效的保溫作用，對保證渡槽在冬季低溫情況下的正常輸水以及槽體本身的結(jié)構(gòu)安全具有重要作用。