流體加熱道路融雪傳熱傳質(zhì)特性研究.pdf

1、流體加熱道路融雪是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)交通養(yǎng)護(hù)技術(shù)，對(duì)于交通安全、節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。本文以基于太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕鸁嵩吹牧黧w加熱道路融雪系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要針對(duì)融雪過(guò)程中的有關(guān)傳熱傳質(zhì)過(guò)程展開(kāi)了一系列基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與規(guī)?；瘧?yīng)用提供了指導(dǎo)依據(jù)。概括起來(lái)，本文的主要研究工作如下： 1）路面溫度場(chǎng)特性研究 建立了路面溫度場(chǎng)的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，并對(duì)“路面-雪層-環(huán)境”的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)邊界進(jìn)行

2、了處理。通過(guò)Brian ADI格式算法，對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值求解，并基于Visual Basic平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用型的道路融雪模擬分析軟件，可輸出路面溫度場(chǎng)、雪層厚度、液膜厚度以及路面待融特征曲線等重要結(jié)果。 在太陽(yáng)能輻射模型研究方面，對(duì)吳贛昌模型進(jìn)行了修正，并基于Mallat算法和Daubechies系列小波，建立了連續(xù)太陽(yáng)能輻射的小波變換模型。模擬結(jié)果表明，該模型在時(shí)域和頻域都具有良好的分析能力，而且可以推廣至其它有關(guān)的太陽(yáng)

3、能光熱應(yīng)用領(lǐng)域。 2）道路融雪過(guò)程數(shù)值模擬 在上述溫度場(chǎng)分析軟件基礎(chǔ)上，分別對(duì)待融過(guò)程、融雪過(guò)程和融后過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。在待融過(guò)程中，定義了零度界線、零度時(shí)間等概念，提出了路面溫度場(chǎng)波動(dòng)模型，其中考慮了管內(nèi)流體溫度的衰減效應(yīng)。給出了具有普遍意義的路面待融特征曲線，將待融負(fù)荷、待融時(shí)間、融雪等級(jí)與降雪速率緊密聯(lián)系起來(lái)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于圖解法的改進(jìn)融雪熱負(fù)荷模型。 在融雪過(guò)程中，對(duì)雪層區(qū)域類(lèi)型及其特性進(jìn)行

4、了分析，并建立了“路面-雪層-環(huán)境”的傳熱傳質(zhì)模型，其中考慮了雪層多孔結(jié)構(gòu)引起的毛細(xì)作用。對(duì)各種氣象條件下的動(dòng)、靜態(tài)融雪過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，與加熱溫度相比，融雪管道布置對(duì)于融雪過(guò)程的影響更為明顯。此外，合理的待融過(guò)程能夠有效地縮短融雪時(shí)間。在融后過(guò)程中，建立了路面液膜蒸發(fā)過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型，并對(duì)各種氣象條件下的液膜蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，氣象參數(shù)對(duì)融后工況的影響程度有所不同，基本順序?yàn)椋禾?yáng)輻射強(qiáng)度>環(huán)境溫度>環(huán)境風(fēng)

5、速>相對(duì)濕度。在此基礎(chǔ)上，提出了一種有利于系統(tǒng)節(jié)能的折中加熱方案。 3）道路融雪實(shí)驗(yàn)研究 建立了一個(gè)小型道路融雪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用基于徑向熱流的直接加熱法獲得了水泥混凝土路面的導(dǎo)熱系數(shù)，并初步分析了含水率對(duì)路面?zhèn)鳠徇^(guò)程的影響。 通過(guò)冰雪物理特性、融化面積比、融化速率和融化時(shí)間等分析，獲得了不同氣象條件下路面的融雪化冰規(guī)律，并與理論模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在融化面積比分析中，采用了基于數(shù)碼成像和Photoshop軟件的圖像

6、處理方法。實(shí)驗(yàn)表明，在0℃附近，碎冰密度為605～690kg/m3，人工雪密度為225 kg/m3，自然雪密度為125 kg/m3，而且冰雪的密度與環(huán)境溫度有直接關(guān)系。 融化面積比曲線可分為初始期、緩速期和加速期等三個(gè)階段，且冰和雪的臨界融化面積比有所不同。冰層融化過(guò)程中容易存在“翹層”現(xiàn)象，一定程度上會(huì)延緩融化時(shí)間，而融雪過(guò)程通常不會(huì)形成“翹層”現(xiàn)象。就融化速率而言，大小順序?yàn)椋核楸?實(shí)冰>人工雪>自然雪。對(duì)于相同厚度的冰/雪