黃彩萍， 余 浩， 譚 燕， 游文峰

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

冬季機(jī)場(chǎng)道路受天氣影響經(jīng)常會(huì)積雪結(jié)冰，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)運(yùn)營受阻。由于機(jī)場(chǎng)道路面積較大，為加快路面除雪融冰的速度常采用大型除雪機(jī)械。

關(guān)于道路路面融雪化冰方面的研究有很多，羅新欣等[1～3]研究在橋面板內(nèi)部鋪設(shè)發(fā)熱電纜，探究了橋面板融雪化冰的效果和可行性以及影響橋面板融雪化冰效果的因素。符養(yǎng)斌等[4]對(duì)比分析了碳纖維電纜加熱技術(shù)與普通除雪技術(shù)的融雪效果以及經(jīng)濟(jì)性。楊暢等[5～7]利用有限元分析的方法建立數(shù)值模型，研究了橋面內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線的鋪設(shè)間距、埋深、電流、溫度和風(fēng)速等因素與橋面溫升速率和融雪化冰效率之間的關(guān)系。袁玉卿等[8～10]研究了影響瀝青混凝土路面內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線融雪效率的因素。李賞[11]提出路面預(yù)埋電阻網(wǎng)進(jìn)行融雪化冰的設(shè)想，并結(jié)合有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，探究了影響路面預(yù)埋電阻網(wǎng)融雪化冰速率的因素。張楚杰等[12]通過構(gòu)建ANSYS熱分析模型研究了機(jī)場(chǎng)混凝土道板內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱電纜融雪化冰的效果以及發(fā)熱電纜的布置間距、埋深等因素與機(jī)場(chǎng)混凝土道板融雪化冰效果之間的規(guī)律。Wan等[13]提出了鋼渣再利用技術(shù)，利用鋼渣設(shè)計(jì)了具有融雪化冰功效的路面超薄摩擦層，提高了路面的感應(yīng)加熱性能以及融雪化冰效率。Mohammed等[14]在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)將三種不同形式的碳纖維埋入混凝土試件中，對(duì)其加熱性能進(jìn)行了測(cè)試，研究了熱功率密度、環(huán)境溫度、加熱板安裝深度、混凝土濕度、碳纖維形態(tài)等參數(shù)對(duì)混凝土試塊溫度變化的影響。Han等[15]提出了一種三元乙丙橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料，并利用電熱試驗(yàn)分析了該復(fù)合材料的發(fā)熱和傳熱效果。Sun等[16]進(jìn)行了循環(huán)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)感應(yīng)加熱和微波加熱自愈合瀝青混合料的融雪化冰性能進(jìn)行了研究。

在道路內(nèi)設(shè)置碳纖維發(fā)熱電纜融冰雪是一種新型的主動(dòng)融雪化冰技術(shù)，其工作原理是在道路內(nèi)部鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱電纜，通過發(fā)熱電纜將電能轉(zhuǎn)換為熱能，再通過道路內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效應(yīng)將熱能傳遞到路表面，使路面溫度突破0 ℃從而實(shí)現(xiàn)融化路面冰雪的目的。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碳纖維發(fā)熱線在融雪化冰方面的研究主要集中在路面、橋面，關(guān)于機(jī)場(chǎng)道路融雪化冰方面的研究較少，并且僅限于機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線上的融雪化冰性能研究，未涉及機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)設(shè)置多層碳纖維發(fā)熱線的發(fā)熱性能研究。本文為研究機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層和雙層碳纖維發(fā)熱線的熱傳導(dǎo)性能的差異及優(yōu)缺點(diǎn)，在恒溫試驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)了機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線模型，并進(jìn)行熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。利用ANSYS有限元分析軟件建立機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線數(shù)值計(jì)算模型，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。從試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線各自的溫升效果和優(yōu)缺點(diǎn)。

1 熱傳導(dǎo)與融冰試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

按MH5004-2009《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]和MH5006-2002《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)水泥混凝土道面面層施工技術(shù)規(guī)范》[18]的規(guī)定，以飛行區(qū)(等級(jí)4F)為標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)場(chǎng)道路的結(jié)構(gòu)層為：土基、墊層、基層和面層；本文根據(jù)上述規(guī)定設(shè)計(jì)了機(jī)場(chǎng)道路模型，土基采用壓實(shí)土，墊層采用中砂，基層和面層均采用水泥混凝土澆筑而成，其中面層水泥混凝土中添加防凍劑，抗凍等級(jí)達(dá)到F300，如圖1，2所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)道路試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 結(jié)構(gòu)示意/mm

機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線熱傳導(dǎo)試驗(yàn)中采用24 K規(guī)格的PFA型碳纖維發(fā)熱線，發(fā)熱線性能參數(shù)見表1。碳纖維發(fā)熱線如圖3所示，鋪設(shè)方式見圖4。沿試件高度方向布置兩層碳纖維發(fā)熱線，相鄰兩排發(fā)熱線的布置間距為150 mm，第一層發(fā)熱線距試件上表面50 mm，第二層距試件上表面150 mm。

表1 24 K碳纖維發(fā)熱線的性能

圖3 PFA碳纖維發(fā)熱線

圖4 碳纖維發(fā)熱線及溫度測(cè)點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)裝置

為測(cè)試試件內(nèi)碳纖維發(fā)熱線的傳熱性能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件上表面的溫度變化情況，在試件上表面布置三條測(cè)溫線，每條測(cè)溫線包含8個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。為保障試驗(yàn)的精確性，避免其它因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，建立封閉的機(jī)場(chǎng)道路熱傳導(dǎo)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示，其中：風(fēng)扇和風(fēng)速儀用來控制經(jīng)過試件上表面風(fēng)速的大小；環(huán)境溫度控制終端調(diào)節(jié)試驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境溫度，為熱傳導(dǎo)試驗(yàn)提供穩(wěn)定的試驗(yàn)溫度；調(diào)壓器用于控制發(fā)熱電纜的輸入電壓；數(shù)據(jù)采集和處理模塊收集溫度傳感器提供的信息并進(jìn)行處理，然后通過通訊線將溫度數(shù)據(jù)傳輸至電腦。

圖5 試驗(yàn)裝置示意

1.3 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

現(xiàn)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)道路熱傳導(dǎo)試驗(yàn)，在整個(gè)加熱過程中每過10 min記錄一次各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，直至加熱結(jié)束。

整個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容分為三個(gè)步驟：

(1)調(diào)節(jié)室溫，試驗(yàn)開始前通過制冷機(jī)對(duì)恒溫試驗(yàn)室進(jìn)行3 h的降溫處理，使室內(nèi)溫度達(dá)到-5 ℃；

(2)調(diào)節(jié)風(fēng)速，通過調(diào)整風(fēng)扇的風(fēng)速和位置使得試件上表面的風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s，在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變；

(3)加熱試件，通過調(diào)壓器控制和穩(wěn)定發(fā)熱電纜的輸入電壓，使其保持在220 V，給試件加熱5 h，在加熱過程中保持室內(nèi)溫度不變。

圖6 測(cè)線平均溫度變化趨勢(shì)

圖7 A～H組測(cè)點(diǎn)最高溫度平均值變化趨勢(shì)

表2 各組測(cè)線溫升數(shù)據(jù)

由圖6，7和表2可以看出：

(1)在加熱過程中1號(hào)和3號(hào)測(cè)線的溫度變化較為接近，并且在各個(gè)階段都低于2號(hào)測(cè)線的實(shí)測(cè)溫度；

(2)2號(hào)測(cè)線突破冰點(diǎn)的時(shí)間比1，3號(hào)測(cè)線快20 min左右，且在整個(gè)溫升試驗(yàn)過程中溫升速率均高于1，3號(hào)測(cè)線；

(3)從各組測(cè)線的平均溫度變化趨勢(shì)中可以看出，達(dá)到冰點(diǎn)前測(cè)線的溫升速率明顯高于達(dá)到冰點(diǎn)后的溫升速率；

(4)A～E組和H～E組測(cè)點(diǎn)的最高溫度平均值(A為A1，A2，A3在加熱過程中最高溫度的平均值，以下依次類推)均呈線型上升趨勢(shì)，在E點(diǎn)時(shí)溫度達(dá)到最高，測(cè)點(diǎn)組的最高平均溫度與距離試件中心的遠(yuǎn)近成正比關(guān)系。

通過溫升試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，加熱5 h后越靠近試件中心區(qū)域溫度越高，熱量主要集中在中心區(qū)域，試件4個(gè)側(cè)面雖鋪設(shè)保溫層，但并不能達(dá)到完全隔熱的效果，仍然有少量熱量損失。加熱后模型上表面的最高平均溫度可以達(dá)到4.4 ℃左右，表面的平均溫升速率達(dá)到2.292 ℃/h，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線具有良好的傳熱性能，完全能夠達(dá)到融化路面冰雪的溫度要求。

1.4 內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線熱傳導(dǎo)性能對(duì)比

文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線的加熱試驗(yàn)，其碳纖維發(fā)熱線距離試件上表面50 mm，為研究機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線的傳熱性能和優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將其試驗(yàn)結(jié)果與本文試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 模型表面平均溫度變化趨勢(shì)

表3中的平均溫升速率表示在整個(gè)加熱過程中模型表面平均每小時(shí)的溫度變化量，即溫度變化量和加熱時(shí)長的比值。

表3 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)條件及溫升速率

由圖8、表3可以看出，機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線的熱傳導(dǎo)試驗(yàn)初始溫度較高為-1 ℃，加熱75 min左右就已經(jīng)突破冰點(diǎn)，突破冰點(diǎn)前的溫升速率為0.013 ℃/min，經(jīng)過5 h加熱后，試件表面的平均溫度持續(xù)上升，最后穩(wěn)定在1.2 ℃左右，突破冰點(diǎn)后的溫升速率為0.005 ℃/min，平均溫升速率為0.021 ℃/min；雙層試驗(yàn)的初始溫度較低為-5 ℃，加熱180 min后試件表面溫度才突破冰點(diǎn)，突破冰點(diǎn)前的溫升速率為0.036 ℃/min，經(jīng)過5 h加熱后，試件表面的平均溫度持續(xù)上升最后穩(wěn)定在4.4 ℃左右，突破冰點(diǎn)后的溫升速率為0.042 ℃/min，平均溫升速率為0.031 ℃/min。

通過分析可以得出：

(1)機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線的溫升速率要高于單層，但未能達(dá)到機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層溫升速率的2倍，為單層溫升速率的1.47倍，可見在機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線中第二層發(fā)熱線產(chǎn)生的部分熱量向試件下部傳遞，部分熱量沿試件四周與周邊環(huán)境進(jìn)行熱交換，說明機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)增加碳纖維發(fā)熱線的層數(shù)，熱損失也隨之增加；

(2)環(huán)境溫度較高時(shí)，機(jī)場(chǎng)道路采用內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線的布置方法能夠使路面溫度達(dá)到冰點(diǎn)并且節(jié)約電能，可以達(dá)到融化機(jī)場(chǎng)道路冰雪的溫度要求。但環(huán)境溫度較低或追求更快的融雪化冰效果時(shí)，內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線則難以達(dá)到預(yù)期的要求。

(3)環(huán)境溫度較低時(shí)，機(jī)場(chǎng)道路采用內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線的布置方法，經(jīng)過較長時(shí)間加熱后可使路面溫度達(dá)到4.4 ℃，遠(yuǎn)高于內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線加熱后路面溫度，可以實(shí)現(xiàn)低溫狀況下路面高效融雪化冰的效果，但是耗能較高。

1.5 機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線融冰試驗(yàn)

為研究機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線模型的實(shí)際融冰效果，在恒溫試驗(yàn)室內(nèi)，進(jìn)行機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線模型的融冰試驗(yàn)，研究模型在荷載作用下表面突破冰點(diǎn)的時(shí)間、溫升速率以及冰層完全融化所需的時(shí)間。

整個(gè)試驗(yàn)步驟如下：

(1)調(diào)節(jié)室溫，試驗(yàn)開始前通過制冷機(jī)對(duì)恒溫試驗(yàn)室進(jìn)行3 h的降溫處理，使室內(nèi)溫度達(dá)到-5 ℃。

(2)調(diào)節(jié)風(fēng)速，通過調(diào)整風(fēng)扇的風(fēng)速和位置使試件上表面的風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s，在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持不變。

(3)施加荷載，利用制冰機(jī)制作碎冰，并將碎冰鋪設(shè)于試件表面，冰層厚度為10 mm。

(4)加熱試件，通過調(diào)壓器控制和穩(wěn)定發(fā)熱電纜的輸入電壓，使其保持在220 V，給試件持續(xù)通電加熱6 h，加熱過程中保持室內(nèi)溫度不變。

試件經(jīng)過6 h加熱處理后，各組測(cè)線的溫度變化趨勢(shì)如圖9所示，路面的平均溫度變化趨勢(shì)如圖10所示，可以看出在整個(gè)融冰試驗(yàn)過程中：

圖9 測(cè)線平均溫度變化曲線

圖10 路面平均溫度變化曲線

(1)2號(hào)測(cè)線的溫度在各個(gè)時(shí)間段要高于1，3號(hào)測(cè)線的溫度，1號(hào)測(cè)線和3號(hào)測(cè)線溫升曲線相吻合；

(2)2號(hào)測(cè)線的最高溫度為1.61 ℃，高于1，3號(hào)測(cè)線，而1，3號(hào)測(cè)線的最高溫度分別為1.28，1.32 ℃，僅相差0.04 ℃；

(3)2號(hào)測(cè)線突破冰點(diǎn)的時(shí)間更早為240 min，而1，3號(hào)測(cè)線突破冰點(diǎn)相同為270 min；

(4)2號(hào)測(cè)線的平均溫升速率為0.021 ℃/min，1號(hào)測(cè)線的平均溫升速率為0.017 ℃/min，3號(hào)測(cè)線的平均溫升速率為0.018 ℃/min，1，3號(hào)的平均溫升速率較為接近但都低于2號(hào)測(cè)線；

(5)路面的最高平均溫度達(dá)到1.41 ℃，平均溫升速率為0.019 ℃/min，突破冰點(diǎn)前的溫升速率要高于突破冰點(diǎn)后的溫升速率。

根據(jù)分析可以看出，在加熱過程中試件中間區(qū)域熱量比較多，區(qū)域內(nèi)的溫升速率以及溫度較高，四周熱損失較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化試件四周的隔熱處理，減少熱損失。通過對(duì)融化試驗(yàn)中試件表面冰雪融化狀況的觀察發(fā)現(xiàn)，試件加熱240 min后試件四周就開始出現(xiàn)水滴，試件表面冰層開始融化，320 min左右試件表面的冰層已經(jīng)全部融化，此時(shí)試件中心區(qū)域僅存在少量水漬，四周水漬較多，機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線具有良好的融冰效果。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元建模

以下采用ANSYS有限元分析軟件，分別建立二維機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線數(shù)值模型，模擬試件加熱過程中斷面的溫度場(chǎng)變化情況，數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)層以及尺寸均與上述試驗(yàn)中的試件一致。

建模方法如下：

(1)選用瞬態(tài)熱分析模塊進(jìn)行模擬。碳纖維發(fā)熱線產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流三種方式在試件中傳遞熱量，其中主要以熱傳導(dǎo)的方式在試件內(nèi)部傳遞熱量，因此在模擬計(jì)算中主要考慮熱傳導(dǎo)這種方式，材料熱力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 材料熱力學(xué)參數(shù)

(2)采用二維平面單元PLAN55建模，如圖11所示。假定兩個(gè)模型的各結(jié)構(gòu)層溫度均勻，兩種模型的初始溫度和環(huán)境溫度與試驗(yàn)溫度相同，均設(shè)定為-5 ℃，模型左右兩側(cè)設(shè)定為絕熱即不與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，模擬試驗(yàn)中的保溫層。

圖11 劃分網(wǎng)格后數(shù)值計(jì)算模型

(3)周邊環(huán)境風(fēng)速設(shè)定為2.5 m/s，加熱過程中保持模型四周的溫度以及風(fēng)速不變。

(4)在兩種模型的計(jì)算過程中，模型兩側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)均設(shè)定為0，模擬實(shí)體試驗(yàn)中在試件周圍布置的保溫層，即試件與周圍環(huán)境之間無熱傳遞；模型上表面與空氣直接接觸，風(fēng)速以面荷載熱對(duì)流的形式施加在模型上表面，對(duì)流換熱系數(shù)用以表示流體與固體表面之間的比熱能力，與風(fēng)速大小、模型上表面狀況以及物理特性相關(guān)，通常取經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定對(duì)流換熱系數(shù)為32 W/(m2·℃)。

(5)碳纖維發(fā)熱線部位施加熱流荷載，根據(jù)熱流的定義計(jì)算出熱流q的計(jì)算公式為：

q=P/S=U2/(RS)

式中：P為碳纖維發(fā)熱線的總電功率；R為碳纖維發(fā)熱線的總電阻；S為碳纖維發(fā)熱線的截面面積；U為碳纖維發(fā)熱線的輸入電壓。經(jīng)計(jì)算q雙=8.2×103W/m2，q單=1.64×103W/m2。

(6)加熱時(shí)長為5 h即1.8×104s。

2.2 機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由于文獻(xiàn)[12]中沒有描述溫度測(cè)點(diǎn)的布置方案，所以以下僅對(duì)雙層碳纖維發(fā)熱線熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

通過觀察熱傳導(dǎo)試驗(yàn)和有限元分析后模型上表面的平均溫度變化趨勢(shì)(圖12)，可以看出數(shù)值計(jì)算所得的最高平均溫度為5.1 ℃，接近試驗(yàn)所得的最高平均溫度4.21 ℃，在數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果中顯示試件(模型)上表面均在180 min時(shí)突破冰點(diǎn)，100 min后試驗(yàn)所得的溫升虛線略低于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，但試驗(yàn)和模擬所得的溫升曲線較相近，有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明本文所述的有限元模擬方法符合實(shí)際狀況，并且具有較高精度。

圖12 路面平均溫度變化趨勢(shì)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)將機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層模型和機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13和表5所示。

圖13 模型溫度云圖

表5 模型溫度云圖對(duì)比分析

通過圖13和表5可以看出，在相同邊界條件、初始條件、環(huán)境因素以及加熱時(shí)間的條件下，內(nèi)置雙層碳纖發(fā)熱線模型內(nèi)部最高溫度比單層高出13.48 ℃，表面最高溫度比單層高出2.98 ℃，沿高度方向溫度場(chǎng)范圍比單層多出60 mm，證明內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線模型內(nèi)部產(chǎn)熱和蓄熱能力較強(qiáng)。

圖15，16為兩種模型表面溫度隨時(shí)間的變化曲線，A1，B1，C1代表內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線路面模型上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，A2，B2，C2代表內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線路面模型上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖14所示。

圖14 測(cè)點(diǎn)位置示意

圖15 模型表面測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)

表6 測(cè)點(diǎn)溫升結(jié)果對(duì)比分析

圖16 內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線數(shù)值模型表面平均溫度變化趨勢(shì)

通過圖15，16和表6，對(duì)比加熱過程中內(nèi)置單、雙層碳纖維發(fā)熱線路面模型上表面測(cè)點(diǎn)的溫升曲線可以得出：

(1)模擬加熱過程中，從雙層模型和單層模型表面測(cè)點(diǎn)的溫升曲線均可以看出靠近模型中間區(qū)域測(cè)點(diǎn)的溫度和溫升速率要比邊緣區(qū)域高，符合熱傳導(dǎo)試驗(yàn)總結(jié)的規(guī)律；

(2)經(jīng)過5 h加熱后機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線模型表面的最高溫度可達(dá)到2.94 ℃，表面平均溫度達(dá)到1.91 ℃，平均溫升速率為1.382 ℃/h，突破冰點(diǎn)的平均時(shí)間為220 min， 能夠達(dá)到融化機(jī)場(chǎng)道路冰雪的目的，并且節(jié)約電能，但路面的溫升速率較慢，表面突破冰點(diǎn)需要的時(shí)間更久，融雪化冰的效率較低；

(3)經(jīng)過5 h加熱后機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線模型表面的最高溫度可達(dá)到5.92 ℃，表面平均溫度達(dá)到4.92 ℃，平均溫升速率為1.984 ℃/h，突破冰點(diǎn)的平均時(shí)間為185 min，能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫情況下機(jī)場(chǎng)道路高效融雪化冰的效果，但電能消耗較高；

(4)機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線表面的溫升速率較高，能夠達(dá)到內(nèi)置單層碳纖維平均發(fā)熱線溫升速率的1.436倍。

3 結(jié) 論

本文從熱傳導(dǎo)試驗(yàn)和有限元計(jì)算兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論:

(1)本文采用ANSYS建立的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬方法，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，能夠比較準(zhǔn)確地模擬機(jī)場(chǎng)道路冬季加熱過程中的溫度場(chǎng)分布情況以及溫度變化。

(2)通過熱傳導(dǎo)試驗(yàn)可以看出，雙層的表面最高溫度比單層高出3.2 ℃，平均溫升速率為單層的1.47倍；根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，雙層模型的溫度場(chǎng)范圍要大于單層模型，內(nèi)部最高溫度比單層高13.48 ℃，表面最高溫度比單層高出2.98 ℃，平均溫升速率為單層的1.436倍；由此說明在低溫環(huán)境下，雙層碳纖維發(fā)熱線的產(chǎn)熱能力和熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)。

(3)由機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線融冰試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試件在240 min表面冰層就開始融化，320 min后表面冰層完全融化，證明機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線的融化效果良好。

(4)在冬季路面溫度較高的地區(qū)，對(duì)路面融雪化冰速率無太高要求，機(jī)場(chǎng)道路采用內(nèi)置單層碳纖維發(fā)熱線的方法，消耗電能較少，工程成本和施工難度較低，能夠清除機(jī)場(chǎng)道路冰雪；但路面溫升速率較慢，需要長時(shí)間加熱才能使路面達(dá)到冰點(diǎn)。在冬季路面溫度較低的地區(qū)，對(duì)機(jī)場(chǎng)道路融雪化冰速率要求較高，為防止機(jī)場(chǎng)道路融化的積水再次解凍，宜采用內(nèi)置雙層碳纖維發(fā)熱線的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)場(chǎng)道路快速、高效的清除冰雪；但能耗較高，工程成本較高，施工難度較高。

(5)針對(duì)不同地區(qū)的氣候條件和對(duì)機(jī)場(chǎng)道路融雪化冰速率的要求，機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線的層數(shù)、布置間距以及埋深情況等參數(shù)也不相同，可利用上述數(shù)值模擬的方法對(duì)機(jī)場(chǎng)道路內(nèi)置碳纖維發(fā)熱線的層數(shù)、布置間距以及埋深情況等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，用于指導(dǎo)工程應(yīng)用。