亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        考慮復(fù)合材料傳熱作用的渠道保溫抗凍性能研究

        2022-10-19 03:45:56王玉和楊少鴻
        人民黃河 2022年10期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu)

        王玉和,楊少鴻

        (1.甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730030; 2.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

        1 引 言

        在我國(guó)北方廣大季節(jié)性凍土區(qū),水資源不足問題長(zhǎng)期制約著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,通過在這些地區(qū)修建輸水渠系工程及其配套措施工程能有效地解決用水問題[1]。 在冬季負(fù)溫作用下,渠道基土?xí)l(fā)生凍脹現(xiàn)象,渠道表面襯砌結(jié)構(gòu)雖具有約束凍脹作用,但其抗拉強(qiáng)度較低、適應(yīng)變形能力較差[2-4]。 因此,在長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用下易發(fā)生渠道襯砌板翹起、拉裂、失穩(wěn)滑塌和冰凍破壞等現(xiàn)象[5-6](見圖1)。 由于渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞是導(dǎo)致渠道輸水效率下降的主要原因,因此針對(duì)寒區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍保溫方法及相關(guān)研究亟待深入開展。

        圖1 渠道襯砌結(jié)構(gòu)破壞

        渠道抗凍措施有換填法、保溫法、排水法和凍脹力釋放法等[2,4],其中:保溫法具有經(jīng)濟(jì)、施工便捷和有效削減基土凍脹量等優(yōu)點(diǎn),并在工程中廣泛應(yīng)用[7],如南水北調(diào)中線工程、引洮一期供水工程、引黃濟(jì)青輸水工程、引額濟(jì)烏輸水工程等;保溫法主要將高分子聚合材料鋪設(shè)在混凝土襯砌層下,在冬季負(fù)溫作用下具有保溫隔熱功能,目前,此方法主要在不同渠坡位置設(shè)置一定厚度的不同保溫材料[8-9],但未考慮保溫材料與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)間熱阻影響及保溫材料不同組合形式的保溫效果,更未探明渠道凍融循環(huán)影響下復(fù)合保溫材料的抗凍機(jī)制。 因此,本研究以灌區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)下施加高分子聚合材料(熱固復(fù)合聚苯乙烯保溫板)為研究對(duì)象,基于復(fù)合材料的熱阻傳熱機(jī)制,采用COMSOL Multiphysics5.2a 構(gòu)建復(fù)合材料襯砌結(jié)構(gòu)的渠道凍脹模型,并在此基礎(chǔ)上提出了3 種復(fù)合材料與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)交錯(cuò)布置的保溫形式(見圖2)。

        圖2 3 種復(fù)合材料與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)交錯(cuò)布置的保溫形式(單位:cm)

        2 復(fù)合材料界面接觸熱阻理論

        在實(shí)際工程應(yīng)用中,復(fù)合材料之間的界面接觸部位具有一定的孔隙,孔隙中充滿著空氣[10-11],故兩種復(fù)合材料接觸面之間存在著溫差ΔT。 材料熱阻包括材料接觸面間傳熱熱阻和孔隙中流體熱阻[12-13],其中復(fù)合材料接觸面間傳熱熱阻計(jì)算公式為

        3 復(fù)合材料傳熱模型

        復(fù)合材料孔隙中流體熱流控制方程為

        式中:q為固體材料間接觸面上的熱流量(考慮二維平面問題,取單位長(zhǎng)度進(jìn)行單元分析),W/m;T1、T2分別為兩種復(fù)合材料上、下接觸面位置的溫度,℃;pn為接觸面上的壓應(yīng)力,N/m2;λ為接觸面導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

        由于復(fù)合材料孔隙中流體熱阻影響不可忽略,因此復(fù)合材料接觸面導(dǎo)熱系數(shù)由細(xì)微孔隙和微孔隙兩部分熱阻計(jì)算得到[11]。 已有研究表明:影響復(fù)合材料熱阻變化主要是作用在接觸表面上的壓應(yīng)力[14]。 本研究采用彈塑性熱阻接觸本構(gòu)模型,并結(jié)合熱阻壓應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式[11,13]得

        式中:M為接觸面材料彈性模量;δ、ε分別為待定系數(shù)、指數(shù)。

        渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)、復(fù)合保溫材料和渠基土在傳熱過程中,渠道受凍過程緩慢,考慮二維軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu),將整個(gè)熱傳導(dǎo)過程視為二維平面應(yīng)變問題:

        式中:λx、λy為凍土沿x、y方向的熱傳導(dǎo)系數(shù);A為計(jì)算凍脹區(qū)域;T為溫度,℃。

        4 復(fù)合材料襯砌混凝土結(jié)構(gòu)

        輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)具有減少輸水滲流、提高邊坡穩(wěn)定性和增強(qiáng)過流能力等功能[2,14]。 以新疆瑪納斯引水電站渠系工程為研究背景,原型渠道混凝土襯砌厚度為10 cm,提出了3 種渠道保溫形式(見圖2 中形式1、形式2、形式3)與原型渠道進(jìn)行抗凍效果對(duì)比分析。

        為驗(yàn)證復(fù)合保溫材料的抗凍性,以3 種形式中混凝土襯砌板厚度和保溫板總厚度相同為標(biāo)準(zhǔn),分析計(jì)算采用了3 種渠道襯砌保溫形式:形式1 將混凝土襯砌與復(fù)合材料之間視為完全結(jié)合,不考慮孔隙接觸熱阻效應(yīng)的影響,其中混凝土襯砌厚度為5 cm,復(fù)合保溫板陰坡厚度為5 cm、陽(yáng)坡厚度為3 cm;形式2 為考慮襯砌結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料間存在孔隙熱阻的影響,設(shè)計(jì)更符合實(shí)際工程傳熱情況,但該結(jié)構(gòu)未考慮水平縱向熱阻作用;形式3 為頂部澆筑混凝土3 cm,下部襯砌結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料縱向交錯(cuò)4 層布設(shè),交錯(cuò)布設(shè)層厚度為7 cm,設(shè)置厚度與原型渠道相同,滿足了相同保溫材料對(duì)比要求。 因此,形式3 采用的復(fù)合保溫襯砌是合理的。

        5 復(fù)合保溫襯砌防凍脹有限元分析

        5.1 渠道基礎(chǔ)參數(shù)概況

        本研究依托新疆瑪納斯引水電站渠道工程,通過對(duì)典型斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析,得到了該地區(qū)渠基土含水率、溫度、凍深、襯砌板位移等分布規(guī)律。 基于此,本研究開展了考慮復(fù)合材料傳熱效率的渠道抗凍分析,渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞導(dǎo)致該地區(qū)渠道滲流現(xiàn)象嚴(yán)重,冬季氣溫寒冷漫長(zhǎng),越冬期平均最低氣溫低于-19 ℃。 梯形渠道斷面尺寸見圖3,原型渠道凍脹基本參數(shù)見表1。

        圖3 梯形渠道斷面尺寸(單位:cm)

        表1 原型渠道凍脹基本參數(shù)

        5.2 渠道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

        考慮復(fù)合保溫材料彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)受環(huán)境影響因素較大,根據(jù)文獻(xiàn)[10,12]所述和原型渠道環(huán)境條件,得到渠道復(fù)合材料保溫板EPI 和襯砌混凝土基本參數(shù)(見表2)。 考慮襯砌結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料間存在孔隙的熱阻效應(yīng)影響,復(fù)合材料孔隙中流體傳熱熱阻可由式(3)計(jì)算,其中取δ=95、ε=0.95[8,15-18],其余參數(shù)如前所述。

        表2 材料基本參數(shù)

        渠基土在凍融環(huán)境中的線膨脹系數(shù)反映凍脹變形情況,是凍土多場(chǎng)耦合模型計(jì)算過程中的重要參數(shù),采用參考文獻(xiàn)[18]試驗(yàn)中的凍土線膨脹系數(shù)。 本研究考慮導(dǎo)熱系數(shù)隨著基土含水量的變化而發(fā)生劇烈變化,依據(jù)原型渠道監(jiān)測(cè)的渠坡、渠底處的含水量分別為19.5%、28.5%,通過計(jì)算[19-22]得出相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.44、1.20 W/(m·K)。

        5.3 構(gòu)建渠道有限元模型

        計(jì)算渠道模型為二維對(duì)稱平面結(jié)構(gòu),假定左右邊界為絕熱邊界,取渠基土下邊界7 m 深位置為恒溫邊界,將渠道視為自上而下單向凍結(jié)傳熱,渠道上邊界襯砌表面溫度選擇新疆瑪納斯灌區(qū)越冬期平均溫度,渠陰坡、渠陽(yáng)坡、渠底板邊界初始溫度分別為-22、-17、-19 ℃,渠道模型下邊界溫度取9 ℃,并應(yīng)用COMSOL Multiphysics5.2a 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,梯形渠道有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖4。

        圖4 梯形渠道有限元模型及網(wǎng)格劃分

        6 計(jì)算結(jié)果分析

        6.1 渠道溫度分析

        針對(duì)研究地區(qū)渠道凍害現(xiàn)象嚴(yán)重,本文提出了3種新型復(fù)合材料抗凍保溫襯砌形式,并進(jìn)行計(jì)算分析,見圖5~圖8。

        圖5 原型渠基土溫度場(chǎng)(單位:℃)

        由圖5 可以看出原型渠道在無(wú)保溫板布設(shè)的情況下渠道凍深線距離渠底72 cm,而在相同外界溫度環(huán)境條件下,設(shè)置復(fù)合聚苯乙烯保溫板后渠道凍深線距渠底為35 cm(見圖6),0 ℃等溫線上抬明顯,說明了設(shè)置保溫板后渠道復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的保溫效果,由于復(fù)合材料襯砌混凝土能夠阻斷外界負(fù)溫的傳導(dǎo),減小了渠基土凍深范圍,因此該方法能夠有效提高渠基土正溫溫度范圍,進(jìn)而提高渠道抗凍能力。

        圖6 渠道設(shè)置保溫板基土溫度場(chǎng)(單位:℃)

        6.2 渠道襯砌結(jié)構(gòu)位移分析

        由圖7 數(shù)值模擬的位移場(chǎng)可知,渠道襯砌法向位移沿渠道襯砌長(zhǎng)度展開,由于復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)具有熱阻效應(yīng),具有較好的隔熱效果,因此3 種保溫形式都具有一定的抗凍效果,且第3 種保溫形式抗凍效果最明顯,第1 種效果最差,第2 種介于兩者之間。 第3 種保溫形式渠陰坡、渠陽(yáng)坡、底板最大法向凍脹位移分別為9.63、4.74、1.87 cm,證明了此抗凍措施的可行性。

        圖7 渠道凍脹位移對(duì)比

        6.3 渠道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

        由圖8 數(shù)值模擬的凍脹力分布圖可知,渠道基土在凍融過程中對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生法向凍脹力。 通過原型渠道計(jì)算分析可知,法向凍脹力最大值出現(xiàn)在渠道坡板和底板連接處,法向凍脹力最小值在底板中心處。3 種復(fù)合保溫措施的渠道凍脹力均有削減,形式1、形式2、形式3 較原型渠道凍脹力分別減少65.8%、76.2%、89.5%。 在陰陽(yáng)坡處形式3 凍脹力減小效果最明顯,證明了形式3 具有較好的抗凍性。

        圖8 渠道斷面凍脹力分布

        7 結(jié) 論

        新疆瑪納斯引水電站原型渠道在凍融循環(huán)作用下易發(fā)生襯砌板拉裂、鼓脹、滑塌和錯(cuò)位等凍脹破壞現(xiàn)象,結(jié)合該地區(qū)渠道凍害特點(diǎn),考慮渠道凍融循環(huán)作用下復(fù)合保溫材料的抗凍機(jī)理,本研究以灌區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)下施加高分子聚合材料為研究對(duì)象,基于復(fù)合材料的熱阻傳熱機(jī)理,采用COMSOL Multiphysics5.2a 構(gòu)建復(fù)合材料襯砌結(jié)構(gòu)的渠道凍脹模型,通過數(shù)值分析表明:

        (1)原型渠道在無(wú)保溫板布設(shè)的情況下渠道凍深線距離渠底72 cm,而在相同外界溫度環(huán)境條件下,設(shè)置復(fù)合聚苯乙烯保溫板后渠道凍深線距渠底為35 cm,0 ℃等溫線上抬37 cm,由于復(fù)合材料襯砌混凝土能夠阻斷外界負(fù)溫的傳導(dǎo),減小了渠基土凍深范圍,因此該方法能夠有效地提高渠基土正溫溫度范圍。

        (2)基于渠道襯砌結(jié)構(gòu)接觸面?zhèn)鳠崮P?,依托新疆瑪納斯引水電站渠道工程,提出了3 種復(fù)合材料與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)保溫形式,計(jì)算分析表明:復(fù)合保溫材料與混凝土襯砌板接觸面上熱阻效應(yīng)不可忽略,3 種保溫形式具有一定的保溫效果,且第3 種保溫效果最明顯,該形式作用下渠陰坡、渠陽(yáng)坡、渠底最大法向凍脹位移分別為9.63、4.74、1.87 cm。

        (3)通過對(duì)3 種復(fù)合材料保溫形式渠道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對(duì)比可知,3 種形式均具有一定的凍脹力削減效果,且凍脹力分布較均勻。 形式1、形式2、形式3 較原型渠道凍脹力分別減少65.8%、76.2%、89.5%。

        猜你喜歡
        復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu)
        混凝土試驗(yàn)之家
        關(guān)于不同聚合物對(duì)混凝土修復(fù)的研究
        《形而上學(xué)》△卷的結(jié)構(gòu)和位置
        混凝土預(yù)制塊模板在堆石混凝土壩中的應(yīng)用
        論結(jié)構(gòu)
        混凝土,了不起
        民機(jī)復(fù)合材料的適航鑒定
        復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)探討
        論《日出》的結(jié)構(gòu)
        創(chuàng)新治理結(jié)構(gòu)促進(jìn)中小企業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)
        久久99精品国产麻豆不卡| 国产理论亚洲天堂av| 久久久天堂国产精品女人| 极品白嫩的小少妇| 亚洲影院天堂中文av色| 国产精品电影久久久久电影网 | 91av国产视频| 国产精品99久久不卡二区| 干日本少妇一区二区三区| 国产成人a人亚洲精品无码| 热99精品| 男女男生精精品视频网站| 亚洲国产精品亚洲一区二区三区 | 青草久久婷婷亚洲精品| 久久久www免费人成精品| 成年女人免费v片| 中文字幕一区二区在线| 天天做天天爱夜夜夜爽毛片| 青青草97国产精品免费观看| 99精品欧美一区二区三区美图| 国产视频一区二区三区久久亚洲| 少妇高潮太爽了在线视频| 无码精品a∨在线观看十八禁| 久久精品国产亚洲AV香蕉吃奶| 亚洲中文字幕第15页| 中文字幕日本人妻久久久免费| 亚洲熟妇少妇69| 一区二区三区视频在线免费观看| 日本高清一级二级三级| 欧美国产精品久久久乱码| 亚洲成a人片在线观看导航| 大尺度极品粉嫩嫩模免费| 又爽又黄又无遮挡网站| 99热免费观看| 亚洲国内精品一区二区在线| 18禁免费无码无遮挡不卡网站| 2019最新国产不卡a| 国产精品自拍首页在线观看| 神马影院日本一区二区| 国内精品自在自线视频| 国产va在线播放|