徐慧寧, 石 浩, 譚憶秋, 周純秀

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150090;2.大連海事大學(xué)交通與物流工程學(xué)院, 大連 116026)

在碳達(dá)峰碳中和背景下,節(jié)能減碳的交通基礎(chǔ)設(shè)施新興技術(shù)得到大力發(fā)展[1]。流體加熱道路融雪系統(tǒng)利用地?zé)崮?、太陽能、工業(yè)廢熱等可再生能源,實(shí)現(xiàn)了道路的主動融冰除雪,避免了機(jī)械除雪、融雪劑生產(chǎn)帶來的耗能、排放以及污染問題[2],是一項(xiàng)融雪高效、低碳環(huán)保的道路除冰雪技術(shù)。作為基于能量轉(zhuǎn)化的內(nèi)熱源道路融雪方式,對道路自身溫度場的演變分析是研究系統(tǒng)融雪效益及運(yùn)行長效性的關(guān)鍵[3]。

目前,采用數(shù)值方法對融雪系統(tǒng)進(jìn)行傳熱仿真計算是研究路面溫度場變化的重要手段。在傳熱融雪模型研究方面,Chapman[4]于1952年基于路表溫度均勻分布假設(shè)首次建立了流體加熱道路融雪系統(tǒng)一維穩(wěn)態(tài)融雪模型;1970年,Schnurr等[5]將Chapman模型拓展為二維形式,考慮了融雪系統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)的非均勻特性;Kikis[6]將二維穩(wěn)態(tài)融雪模型拓展為瞬態(tài)模型,為融雪路面溫度場的時變特性研究提供了模型基礎(chǔ);2002年,Rees等[7]開發(fā)了適用于流體加熱融雪系統(tǒng)的二維瞬態(tài)融雪模型,模型中詳細(xì)考慮了干雪、冰、冰雪混合物等7種表面狀況,實(shí)現(xiàn)了路表融雪過程的表征;2007年,Liu等[8-9]基于流體加熱融雪系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了Rees傳熱融雪模型的可靠性;Xu等[10-11]考慮了融化雪水在道路結(jié)構(gòu)中的傳遞對道路材料熱物理性質(zhì)的作用,修正了Liu模型,揭示了融化雪水在道路結(jié)構(gòu)中的傳遞對路面溫度場計算精度的影響。利用傳熱融雪模型,學(xué)者對流體加熱融雪系統(tǒng)的路表溫度場分布開展了廣泛研究。Zhao等[12-13]利用流體加熱數(shù)值計算模型分析了流體管空間分布對路表溫度場的影響;Liu等[14]利用三維有限元仿真模型探究了外界融雪環(huán)境對流體加熱橋面板表面溫度場分布的影響;Zhu等[15]采用傳熱融雪模型計算了流體加熱路面的路表溫度時變規(guī)律及熱應(yīng)力空間分布;Lyu等[16]采用流體加熱橋面板模型探究了運(yùn)行方式對橋面板表面溫度場演變規(guī)律的影響。以上研究為流體加熱路面融雪效果的評價提供了有效技術(shù)手段。

近年來,隨著流體加熱道路融雪系統(tǒng)的推廣,基于實(shí)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)運(yùn)行過程路面溫度分布特性的研究受到國內(nèi)外研究人員的普遍重視[17]。徐慧寧等[18-19]分析了融雪過程路表溫度的變化規(guī)律,明確了管間距、埋設(shè)深度、液體流速、環(huán)境溫度等因素對路表溫度分布的影響規(guī)律;周水文等[20]構(gòu)建了室內(nèi)路面融雪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?明確了系統(tǒng)運(yùn)行、管路排布等參數(shù)對路表溫度分布的影響效果;Balbay等[21]監(jiān)測了流體加熱橋面板的路表溫度時變特性,明確了流體管排布對于路表溫度場分布的決定作用;Tan等[22]利用流體加熱試驗(yàn)路面板監(jiān)測了路表溫度的空間變化,闡明了熱流引入對路表溫度場的干擾;Li等[23]采用足尺試驗(yàn)方式,監(jiān)測了內(nèi)熱源橋面板的路表溫度時空分布特性,驗(yàn)證了橋面板融雪系統(tǒng)的升溫融雪效果;Baumgartel等[24]建設(shè)了室外流體加熱試驗(yàn)板,探測了冬季加熱和夏季冷卻過程中的路表溫度變化,驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的可行性;Zhang等[25]利用流體加熱足尺試驗(yàn)平臺,監(jiān)測了冬季融雪系統(tǒng)的路表溫度場演變,指明了系統(tǒng)運(yùn)行過程中的融雪可靠性。

然而,現(xiàn)有研究多關(guān)注流體加熱路面融雪系統(tǒng)的路表溫度場演變規(guī)律及影響因素[18-20,26],忽視了系統(tǒng)運(yùn)行過程道路結(jié)構(gòu)短期/長期溫度分布特性的探討。作為一種內(nèi)熱源主動融冰雪路面系統(tǒng),熱流體在路面內(nèi)部的流動會顯著影響道路結(jié)構(gòu)及路域環(huán)境溫度場在時間和空間上的分布,尤其是在多年凍土等溫度敏感性地區(qū),熱流體對多年凍土層的溫度擾動會破壞道路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[27],明確流體加熱路面深層/淺層結(jié)構(gòu)在運(yùn)行短期/長期溫度分布對于系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化和應(yīng)用推廣具有重要意義。因此,本文基于流體加熱道路融雪試驗(yàn)系統(tǒng),開展融雪系統(tǒng)運(yùn)行過程對道路結(jié)構(gòu)溫度分布特性影響的研究,對比分析普通道路結(jié)構(gòu)與流體加熱融雪系統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)在溫度、溫變速率及溫度梯度分布特性等方面的差異,闡明系統(tǒng)運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)短期/長期溫度分布特性的影響規(guī)律。

1 流體加熱道路融雪試驗(yàn)系統(tǒng)

為全面了解融雪系統(tǒng)的運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)溫度分布特性的影響規(guī)律,2015年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)校園內(nèi)修建了流體加熱道路融雪試驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示,系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)詳述于文獻(xiàn)[22,25],融雪系統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。

圖1 哈爾濱流體加熱融雪試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 傳感器的布設(shè)

研究中,氣溫、相對濕度、太陽輻射強(qiáng)度、降水量、風(fēng)速等氣象參數(shù)通過安放于試驗(yàn)地點(diǎn)的Vantage Pro2型自動氣象觀測儀進(jìn)行記錄,記錄頻率為20 min/次;同時,為掌握不同運(yùn)行工況對流體加熱道路融雪系統(tǒng)融雪特性的影響,提高系統(tǒng)的可控制性,在試驗(yàn)系統(tǒng)冷凝器與蒸發(fā)器出入口、道路結(jié)構(gòu)的不同深度及埋管管壁處共埋設(shè)WS-TS201型半導(dǎo)體溫度傳感器79只,溫度傳感器測量范圍為-40～120 ℃,測量不確定度為±0.5 ℃,傳感器沿道路水平方向與豎直方向的布設(shè)如圖2所示,傳感器最淺埋深為2 cm,近似表征路表溫度變化,最深埋深設(shè)定在210 cm,監(jiān)測路面深層結(jié)構(gòu)受系統(tǒng)運(yùn)行的影響。系統(tǒng)運(yùn)行過程中,蒸發(fā)器與冷凝器的液體流量分別采用數(shù)字式電磁流量計實(shí)時測定,測量不確定度為±0.5%。

傳感器1—埋深2 cm;傳感器2—埋深5 cm;傳感器3—埋深10 cm;傳感器4—埋深17 cm;傳感器5—埋深30 cm;傳感器6—埋深43 cm;傳感器7—埋深59 cm;傳感器8—埋深90 cm;傳感器9—埋深130 cm;傳感器10—埋深170 cm;傳感器11—埋深210 cm;傳感器12—管壁(隨埋管深度變化)。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)的測試

2017年10月—2018年5月,依托試驗(yàn)系統(tǒng)開展了道路結(jié)構(gòu)溫度分布特性的測試,測試分為無加熱狀態(tài)下道路結(jié)構(gòu)溫度分布特性測試、融雪系統(tǒng)運(yùn)行過程道路結(jié)構(gòu)溫度分布特性測試2個部分。其中,融雪系統(tǒng)的控制工況如表1所示。

表1 融雪路面測試工況

其中動態(tài)融雪方式采用與降雪開始進(jìn)程同步的融雪方式,即在降雪開始時便開啟系統(tǒng)進(jìn)行路面加熱,融雪過程實(shí)際為動態(tài)的邊降雪邊融化的過程;靜態(tài)融雪方式采用延后的融雪方法,即在降雪進(jìn)程結(jié)束后開啟系統(tǒng),系統(tǒng)融化一定厚度的靜態(tài)積雪。測試1、3～7的儀表設(shè)定溫度實(shí)際都為50 ℃,但由于融雪環(huán)境條件的差異導(dǎo)致冷凝器出口溫度存在1～2 ℃的誤差;測試2儀表設(shè)定溫度為40 ℃,目的在于探究流體溫度對路面溫度響應(yīng)的影響規(guī)律。

2 路面溫度分布特性分析

融雪路面管間位置不同深度處溫度傳感器在測試1條件下連續(xù)一天的溫度數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3 路面不同深度溫度時變曲線

由圖3可見,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,融雪路面淺層溫度存在明顯的上升趨勢。在系統(tǒng)運(yùn)行開始前,路面溫度隨深度增加呈現(xiàn)增大的趨勢,路面深度2 cm處的溫度為-5 ℃;在系統(tǒng)運(yùn)行開始后,路面溫度逐漸上升,淺層溫度上升趨勢最為顯著,并逐漸超過深層溫度,溫度曲線發(fā)生交織,在運(yùn)行后期,路面溫度最低點(diǎn)擴(kuò)展到深度59 cm處。

同時,也可以看出在短期運(yùn)行過程中,融雪路面熱流體對路面溫度場的擾動可擴(kuò)展到約60 cm深度范圍處。在60 cm深度范圍以內(nèi)的傳感器日變化溫度超過了1.7 ℃,其中深度10 cm處(埋管深度處)的溫度變化幅值最高,達(dá)到了10.6 ℃;而當(dāng)路面深度超過60 cm后,路面結(jié)構(gòu)溫度的日變化幅值均小于0.5 ℃。由此說明,在短期運(yùn)行過程中熱流體對路面結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在路面淺層,深層路面結(jié)構(gòu)的溫度受系統(tǒng)短期運(yùn)行影響非常有限。

圖4展示了普通路面2 cm深度處溫度傳感器,和融雪路面2 cm深度處流體管正上方和管間位置處溫度傳感器,在測試1條件下連續(xù)一天的溫度數(shù)據(jù)。

圖4 路表溫度時變曲線(埋深2 cm傳感器探測)

由圖4可見,普通路面路表溫度主要受到外界環(huán)境的影響而變化。路表溫度在午夜呈降低趨勢;在早上8時后受到環(huán)境溫度和太陽輻射影響,路表溫度出現(xiàn)回升,并在中午13時左右達(dá)到峰值-5 ℃;在此之后,隨著環(huán)境溫度和太陽輻射降低,路表溫度逐漸下落,在午夜24時達(dá)到-7 ℃,在整個過程中路表溫度始終低于0 ℃。而對于融雪路面,由于內(nèi)部熱流的干預(yù),路表溫度顯著高于普通路面。整體而言,融雪路面溫度變化呈上升趨勢,并在6時達(dá)到了融雪臨界溫度0 ℃;在此之后,路表溫度尺度上升,在13時達(dá)到峰值約4 ℃;后期溫度隨環(huán)境溫度和太陽輻射降低有所回落,但降低幅度維持在1 ℃以內(nèi)。由此可見,融雪路面可顯著提升路表溫度。

此外,在流體管正上方的路表溫度要高于流體管中間位置,圖4顯示,在整個運(yùn)行過程中,流體管正上方位置溫度始終高于管中間位置約0.3 ℃。這是由于流體管正上方位置相較流體管間位置更靠近流體管熱源,熱量傳遞到前者的能量損失要低于后者,由此導(dǎo)致路表橫向溫度呈現(xiàn)不均勻分布,該現(xiàn)象已在現(xiàn)有研究中得到闡釋[10]。

由于融雪路面板的有限尺寸,路面溫度分布受到路面板位置的影響,圖5展示了路面板中、板邊以及1/4位置處的流體管壁溫度傳感器數(shù)據(jù)。

圖5 管壁-道路界面處溫度時變曲線

圖5顯示管壁-道路界面處的溫度隨著運(yùn)行時間呈現(xiàn)增大趨勢。在運(yùn)行初期2 h內(nèi),管壁處溫度由接近0 ℃快速增大到30 ℃;在此之后,溫度增長逐漸趨緩,在24時溫度達(dá)到44 ℃。在路面板不同位置處,融雪路面板中位置的管壁-道路界面溫度處于最高水平,1/4板位置溫度與板中位置非常接近,板邊位置處溫度處于最低水平,低于板中位置約2 ℃。由此可見,融雪路面板溫度分布在路面寬度方向分布不均勻,板中位置溫度最高,板邊位置由于靠近融雪路面板的散熱邊緣,此處溫度最低。

3 路面溫度變化速率分析

3.1 普通路面溫度變化速率

本研究以普通路面結(jié)構(gòu)溫度觀測數(shù)據(jù)為依據(jù),分析路面結(jié)構(gòu)不同深度處的日溫度變化速率,普通路面的溫度變化速率日變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 普通路面溫度變化速率

由圖6可見,路面日溫變速率近似呈正弦規(guī)律變化,以距路表2 cm處的溫變速率為例,凌晨0時—6時的溫變速率較小,在1.0～1.5 ℃/h間波動;隨著太陽輻射的增加,路表處的溫變速率迅速上升,于10時—11時達(dá)到最大值5.4 ℃/h,之后逐漸降低,至14時—15時溫變速率降低至0 ℃/h,由此說明路表升溫過程結(jié)束;隨著太陽輻射的減弱,路面由吸熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧釥顟B(tài),路面的溫變速率逐漸增大,并于18時達(dá)到了最大降溫速率-5.1 ℃/h。

表2 路面結(jié)構(gòu)溫度梯度

圖6同時顯示,隨著深度的增加,溫變速率逐漸減小:距路表2 cm處的日最高溫變速率為5.4 ℃/h,距路表17cm深度處日最高溫變速率降低為1.5 ℃/h,而距路表30 cm處日最高溫變速率僅為1 ℃/h。此現(xiàn)象一方面說明路面溫度的變化是由于環(huán)境因素的影響造成的,特別是太陽輻射;另一方面也顯示,路面熱量傳遞過程伴隨著能量的損失。

3.2 融雪路面管壁位置處溫度變化速率

融雪系統(tǒng)運(yùn)行時,30～50 ℃的高溫流體通過預(yù)先埋設(shè)于道路內(nèi)部的管線將熱能引入道路結(jié)構(gòu)并在其中傳遞,然而,冬季道路材料溫度較低,高溫流體對道路材料的溫度沖擊是融雪系統(tǒng)應(yīng)用中需要面對的重要問題之一。因此,本部分以與管道直接接觸的管壁-道路界面的溫度變化速率為研究對象,利用測試1和2的實(shí)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運(yùn)行中管壁-道路界面處的溫度變化規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 管壁-道路界面處的溫度

由圖7可見,管壁-道路界面處的溫度與平均流體溫度均隨著融雪系統(tǒng)的運(yùn)行而逐漸升高,并趨于穩(wěn)定。但二者間存在顯著的溫差:測試1條件下,流體溫度與管壁-道路界面處的平均溫差為8.3 ℃;測試2條件下,該溫差達(dá)到10.3 ℃。由此說明,流體管存在顯著的熱阻,管壁-道路界面處溫度始終低于加熱流體溫度。

圖8顯示,在系統(tǒng)運(yùn)行的初期(0～90 min),管壁-道路材料界面處的溫度變化速率較大,最高可達(dá)39.3 ℃/h,說明系統(tǒng)運(yùn)行初期對路面材料存在著顯著的溫度沖擊作用,在使用該系統(tǒng)時應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行策略對道路材料溫度承載能力的影響。在此之后,溫度變化速率逐步降低,維持在低于10 ℃/h的范圍內(nèi),此時的溫變速率普遍小于普通路面最大溫度速率,由此可見,由于內(nèi)熱源的引入,在運(yùn)行后期流體加熱路面結(jié)構(gòu)的溫度變化更穩(wěn)定。

圖8 管壁-道路材料界面處的溫度變化速率

與此同時,圖8顯示了不同流體溫度對管壁-道路界面處溫度變化速率的影響。就初期溫度沖擊而言,流體溫度48.8 ℃時,最大溫變速率為39.3 ℃/h,當(dāng)流體溫度降低為38.7 ℃時,最大溫變速率降低至18.9 ℃/h,僅為前者的48%;在運(yùn)行后期,隨著流體溫度由48.8 ℃降低至38.7 ℃,系統(tǒng)運(yùn)行期間界面處的平均溫變速率由3.0 ℃/h降低至2.0 ℃/h。由此可見,較低的流體溫度可以顯著降低管邊界處的溫變速率,緩減熱流引入對路面材料的溫度沖擊作用。

4 路面溫度梯度分析

4.1 普通路面溫度梯度

溫度梯度是道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的最根本原因,直接關(guān)系到融雪路面的結(jié)構(gòu)安全[22]。本部分基于路面溫度場實(shí)測數(shù)據(jù),計算了路面結(jié)構(gòu)沿深度方向的溫度梯度,開展了普通路面溫度梯度日變化規(guī)律的研究。

普通路面溫度梯度的日變化規(guī)律如圖9所示,溫度梯度呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律。以路面結(jié)構(gòu)2～17 cm處的平均溫度梯度為例,夜間,由于缺乏太陽輻射,道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高于路表,此時,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)出負(fù)溫度梯度,負(fù)溫度梯度的最大值達(dá)到-63.4 ℃/m,出現(xiàn)于5:40;白天,隨著太陽輻射的增加,路表溫度逐漸升高,此時,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度逐漸由負(fù)溫度梯度轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎囟忍荻?且在午后13:40達(dá)到最大值124.1 ℃/m。圖9同時表明,隨著深度的增加,溫度梯度的幅值逐漸減弱,其峰值出現(xiàn)時間也逐漸滯后:17～30 cm溫度梯度峰值分別為43和-23 ℃/m,僅為2 cm～17 cm溫度梯度峰值的34.7%和36.3%,峰值出現(xiàn)的時間也由13:40延遲至15:40。

圖9 普通路面溫度梯度日變化規(guī)律

4.2 融雪路面溫度梯度

4.2.1 溫度梯度的日變化規(guī)律

測試1與2融雪系統(tǒng)運(yùn)行時埋管位置路面結(jié)構(gòu)溫度梯度的日變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 融雪系統(tǒng)運(yùn)行時路面結(jié)構(gòu)溫度梯度

圖10表明,2種測試條件下,埋管上部2～17 cm處的路面溫度梯度呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律,現(xiàn)以圖10(a)所示測試1為例進(jìn)行說明:系統(tǒng)運(yùn)行初期,埋管附近的道路結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高,由于熱量傳遞過程中伴隨著能量的損失,因此,埋管處與路表面間的溫度差異逐漸增大,溫度梯度迅速增加,至凌晨3時(系統(tǒng)運(yùn)行180 min),溫度梯度達(dá)到-227 ℃/m,為普通路面結(jié)構(gòu)最大溫度梯度的1.8倍;隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的延長,埋管周圍的溫度逐漸趨于穩(wěn)定,而接近路表處的溫度持續(xù)上升,埋管上方的溫度梯度逐漸減小,特別是伴隨著日出,太陽輻射量逐漸增加,加速了路表溫度的上升,由此造成路表與埋管周圍溫度差異的減小,溫度梯度的顯著降低,至14時2～17 cm處的溫度梯度減少至-28 ℃/m,該現(xiàn)象同時說明,與系統(tǒng)運(yùn)行提供的熱量相比,太陽輻射提供給路面的能量是不可忽視的;此后,隨著太陽輻射量的減弱,路表處熱流密度減少,其與埋管周圍的溫度差異逐漸變大,造成了埋管上方道路結(jié)構(gòu)的溫度梯度的再次增加。

與埋管上部溫度梯度受到太陽輻射顯著影響不同,埋管下部溫度梯度的變化規(guī)律與太陽輻射的關(guān)聯(lián)度較弱(見圖10),埋管下部溫度梯度的日變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是由于系統(tǒng)運(yùn)行初期,流體溫度迅速增加,導(dǎo)致了埋管周圍與埋管下方一定距離處的溫度差異變大;此后,隨著埋管周圍溫度的趨于穩(wěn)定,而埋管下方一定距離處的溫度持續(xù)上升,埋管下方的溫度梯度逐漸下降。該變化規(guī)律與普通路面具有顯著差異,可見熱流的導(dǎo)入改變了路面結(jié)構(gòu)的傳熱過程,干擾了路面結(jié)構(gòu)溫度場的分布。

4.2.2 溫度梯度參數(shù)影響分析

為了探究流體溫度和環(huán)境溫度對路面結(jié)構(gòu)溫度梯度的影響,為融雪路面的運(yùn)行安全設(shè)計提供支持,本部分研究觀測了不同測試條件與環(huán)境條件下融雪路面的溫度梯度特征響應(yīng)。

1) 流體溫度

測試1和測試2分別采用48.8 ℃和38.7 ℃的流體溫度運(yùn)行,路面結(jié)構(gòu)2～17 cm處的平均溫度梯度在連續(xù)運(yùn)行24 h的變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 路面結(jié)構(gòu)溫度梯度

圖11中,隨著流體溫度的降低,埋管上方路面溫度梯度顯著減小,在整個測試周期內(nèi),測試2條件下的路面溫度梯度始終低于測試1,差距為70～100 ℃/m。較高的溫度梯度直接導(dǎo)致較大的溫度應(yīng)力,因此,在滿足融雪性能的前提下,應(yīng)選擇較低的流體溫度,以避免道路結(jié)構(gòu)發(fā)生溫度應(yīng)力破壞。

此外,路面結(jié)構(gòu)溫度梯度的日變化呈正弦式規(guī)律,關(guān)鍵時間點(diǎn)的路面結(jié)構(gòu)溫度梯度如表2所示。從凌晨0時至2時,由于熱流的通入,路面結(jié)構(gòu)溫度場在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化,測試1下路面溫度梯度在2 h內(nèi)由128.4 ℃/m升至227.9 ℃/m,提升了近80%;此后,路面結(jié)構(gòu)溫度梯度達(dá)到穩(wěn)定;從6時開始,由于環(huán)境溫度的升高和太陽輻射的加強(qiáng),路面結(jié)構(gòu)溫度梯度逐漸呈下降趨勢,在13時達(dá)到最低點(diǎn);此后,隨著環(huán)境溫度降低和太陽輻射的回落,路面結(jié)構(gòu)溫度梯度逐漸增大。由此可見,路面結(jié)構(gòu)溫度梯度除了受到流體溫度影響外,外界環(huán)境特征也對其具有關(guān)鍵的影響作用。

2) 環(huán)境溫度

本部分以表1中不同環(huán)境溫度系統(tǒng)運(yùn)行過程中路面結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)為研究對象,以2～15 cm處的平均溫度梯度為評價指標(biāo),分析環(huán)境溫度對流體加熱道路融雪系統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)平均溫度梯度的影響,分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 環(huán)境溫度對路面結(jié)構(gòu)溫度梯度的影響

圖12表明,隨著環(huán)境溫度的降低,即使在相同的運(yùn)行參數(shù)條件下,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度仍存在顯著的不同:環(huán)境溫度為-2 ℃時,路面埋管上方的平均溫度梯度為-143 ℃/m,隨著環(huán)境溫度的降低,平均溫度梯度逐漸增加,當(dāng)環(huán)境溫度降低至-20 ℃時,埋管上方的平均溫度梯度達(dá)到了-218 ℃/m,為-2 ℃時的1.5倍。上述分析表明,環(huán)境溫度的降低造成了系統(tǒng)運(yùn)行過程中路面結(jié)構(gòu)溫度梯度的顯著上升。

路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度是造成材料溫度應(yīng)力的直接原因,為了確保融雪路面在不同的環(huán)境溫度下溫度應(yīng)力低于安全限值,了解路面結(jié)構(gòu)溫度梯度與環(huán)境溫度的關(guān)系是必要的。為此,根據(jù)以上測試溫度結(jié)果,采用最小二乘法建立了測試流體溫度為48 ℃時,路面結(jié)構(gòu)溫度梯度與環(huán)境溫度的關(guān)系為

Gp=-4.01Tamb+138.28

(1)

式中:Gp為路面2～15 cm處的溫度梯度,℃/m;Tamb為運(yùn)行時的環(huán)境溫度。

由式(1)可知,環(huán)境溫度每降低1 ℃,路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度可增加約4 ℃/m,同時也產(chǎn)生了更大的溫度應(yīng)力。在真實(shí)融雪進(jìn)程中,應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行控制,避免過大的溫度應(yīng)力造成路面材料損傷。

5 融雪系統(tǒng)的運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)長期溫度分布特性的影響

前文研究表明,流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運(yùn)行可在較短的時間內(nèi)釋放大量熱能,在一定時間與空間內(nèi)改變路面結(jié)構(gòu)熱流傳遞方向與溫度分布特性。本部分將在前述系統(tǒng)運(yùn)行過程路面結(jié)構(gòu)溫度分布特性研究的基礎(chǔ)上,通過對道路結(jié)構(gòu)一定深度處溫度的年周期跟蹤觀測,開展融雪系統(tǒng)的運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)長期溫度分布特性影響的研究。

選擇2017年11月1日—2018年5月31日的普通道路結(jié)構(gòu)與含有流體加熱融雪系統(tǒng)的道路結(jié)構(gòu)59～210 cm處的溫度為研究對象,闡明系統(tǒng)運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)年周期溫度分布特性的影響,結(jié)果如圖13、14所示。

圖13 流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)溫度分布的影響

流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)溫度分布的影響(見圖13)表明,雖然2017年11月—2018年5月間融雪系統(tǒng)累計運(yùn)行時間僅為89 h,但對道路結(jié)構(gòu)溫度場的影響擴(kuò)展到整個冬季降雪期。如圖13(a)所示,測試期間,距路表59 cm處融雪系統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)的溫度顯著高于普通道路結(jié)構(gòu),其影響從系統(tǒng)首次運(yùn)行開始一直延伸到最后一次運(yùn)行之后的15 d,道路結(jié)構(gòu)的年最低溫度也由-5.9 ℃升高至-3.5 ℃,同時,測試期間二者的最大溫差可達(dá)3.5 ℃;隨著道路結(jié)構(gòu)深度的增加,融雪系統(tǒng)運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)溫度場的影響逐漸減弱,表現(xiàn)為溫差逐漸降低,但即使道路深度達(dá)到210 cm,系統(tǒng)運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)年最低溫度的影響也存在1.2 ℃的溫度差異。

季節(jié)性冰凍地區(qū)冬季道路結(jié)構(gòu)的溫度分布與其凍結(jié)深度密切相關(guān),因此,基于圖13的實(shí)測數(shù)據(jù)繪制 2017—2018年2類道路結(jié)構(gòu)的凍結(jié)深度變化曲線(見圖14)。圖14表明,一方面,流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運(yùn)行顯著降低了道路結(jié)構(gòu)的凍結(jié)深度:普通道路結(jié)構(gòu)的凍結(jié)深度為-119 cm,而流體加熱道路融雪系統(tǒng)的凍結(jié)深度僅為-101 cm;另一方面,融雪系統(tǒng)的運(yùn)行也使得路基結(jié)構(gòu)的凍結(jié)期推遲,而春融期提前,冰凍期由141 d(11月30日—4月19日)減少至114 d(12月15日—4月7日)。由此可見,融雪系統(tǒng)的運(yùn)行,可以在較短的時間內(nèi)釋放大量熱能,有效阻止外界冷量的進(jìn)入,延緩內(nèi)部熱量的散失,起到緩解季節(jié)性冰凍地區(qū)道路結(jié)構(gòu)溫度場降低、延緩道路結(jié)構(gòu)凍結(jié)程度的作用。

圖14 流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)凍結(jié)深度的影響

6 結(jié)論

本文依托流體加熱道路融雪試驗(yàn)系統(tǒng)開展融雪系統(tǒng)運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)溫度分布特性影響的研究,分析了普通道路結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)運(yùn)行時道路結(jié)構(gòu)的溫度、溫度變化速率及溫度梯度的分布特征,闡明了系統(tǒng)運(yùn)行對道路結(jié)構(gòu)長期/短期溫度分布特性的影響。

1) 普通路面不同深度處的溫度變化速率及溫度梯度的日變化規(guī)律均近似呈正弦周期性規(guī)律,融雪路面在運(yùn)行階段顯著提升了路表溫度,且流體管正上方溫度比流體管間高出約0.3 ℃。

2) 系統(tǒng)運(yùn)行初期,快速上升的流體溫度對管壁-路面材料界面存在顯著的溫度沖擊作用;但隨著流體溫度的降低,溫度沖擊作用逐漸減弱,因此,可采用低溫緩升的運(yùn)行策略緩解系統(tǒng)運(yùn)行初期對道路材料的溫度沖擊作用。

3) 融雪系統(tǒng)運(yùn)行時,埋管上方的路面溫度梯度受到融雪系統(tǒng)釋放熱量及環(huán)境因素的共同影響,呈現(xiàn)正弦日分布規(guī)律;而埋管下方,融雪系統(tǒng)釋放的熱量成為主導(dǎo)熱源,溫度梯度呈現(xiàn)先期快速增加,后期緩慢減小的變化趨勢。研究同時表明:流體溫度越高及環(huán)境溫度越低,路面內(nèi)部的溫度梯度越大。

4) 融雪系統(tǒng)的運(yùn)行,可在較短的時間內(nèi)釋放大量熱能,降低道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量的散失,有效緩解了季節(jié)性冰凍地區(qū)道路結(jié)構(gòu)溫度的降低、延緩道路結(jié)構(gòu)凍結(jié)程度。