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考虑太阳辐射的渠道冻胀数值模拟研究

作　者: 闫长城
导　师: 王正中
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 渠道冻胀 ASHRAE太阳辐射模型 Hottel太阳辐射模型玻璃钢聚苯乙烯保温板
分类号: TV698.26
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

中国是一个水资源短缺的国家,农业用水占到全国总用水量的一半以上。混凝土衬砌渠道是提高灌溉效率和节约用水的有效措施,但在中国广泛分布的季节性冻土区,混凝土衬砌渠道的冻胀破坏严重,成为制约节水工程的瓶颈。针对混凝土衬砌渠道的冻胀破坏,本文利用不同太阳辐射模型,得到混凝土衬砌渠道的边界条件,对衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟;利用正交实验设计理论,对纬度、海拔、风速、混凝土对太阳辐射的吸收率、渠道边坡坡度五因素进行渠道表面吸收太阳辐射的敏感性分析;对玻璃钢衬砌渠道在北方季节性冻土区防渗防冻胀的有效性进行分析;分析了聚苯乙烯保温板防冻胀的机理,不同地区合理的保温板厚度,得到了不同厚度保温板防冻胀效果的规律,给出了确定不同地区聚苯乙烯泡沫保温板厚度的方法。全文得到主要结论如下:(1)运用ASHRAE太阳辐射模型计算渠道表面的太阳辐射,克服了我国大部分地区太阳辐射强度的观测值难以获得的缺点,通过理论模型计算太阳辐射强度,可以推广到其他地区的渠道冻胀分析,具有地区通用性的优点。而且可以在理论上直接分析,不需要在渠道修建好以后通过实地监测温度场来分析冻胀,在渠道设计阶段就可以分析冻胀,为渠道抗冻胀设计提供参考。对于阴坡监测点2和阳坡监测点8,考虑热辐射的温度与实测正弦温度变化规律一致,但在数值上大于实测正弦温度,最大相差分别为3.5℃和2.7℃;两种情况下的冻胀量变化规律一致,考虑热辐射的冻胀量小于实测正弦温度加载所得的冻胀量,最大相差0.8mm和0.82mm;两种情况下的法向冻胀力变化规律一致,考虑热辐射的法向冻胀力小于实测正弦温度加载所得的法向冻胀力,最大相差0.066Mpa和0.047Mpa。两种情况下计算结果产生偏差的原因是考虑太阳辐射的负温积数小于实测正弦温度,所以得到的温度场数值大于实测正弦温度的数值。(2)考虑到影响混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射的多种因素,运用Hottel太阳辐射模型计算太阳辐射值,利用正交分析理论,对影响因素进行了敏感性分析。通过极差分析、趋势分析、方差分析得出了影响混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射的5种因素的敏感性大小。敏感性由大到小排序为:风速、混凝土对太阳辐射的吸收率、渠道边坡坡度、海拔、纬度。由趋势分析的结果可知:随着纬度增大,混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射减少;随着海拔增大,混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射增大;当风速增大时,混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射减小;混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射的值随吸收率的增大而增大;阳坡边坡系数1:1时吸收的太阳辐射值最大,其次是边坡系数1:2、1:0.5。通过分析可知,混凝土的太阳辐射吸收率对混凝土衬砌渠道吸收太阳辐射有较大影响,在实际工程中可采用混凝土衬砌渠道表面涂刷浅色涂层,并尽量使混凝土结构表面平整,可减小混凝土的太阳辐射吸收率,从而降低所吸收的太阳辐射值。(3)位移场数值分析表明:采用玻璃钢材料防护结构后,由于弹性模量较普通混凝土小,且衬砌板厚度小于混凝土衬砌板,因而位移变大,但从数值上看,不影响渠道的安全运行,且通过释放变形,能改善衬砌板的受力状态。应力场数值结果表明:法向冻胀力呈上小下大规律分布,在渠底则趋于均布;切向冻胀力沿坡面呈上小下大的规律,在渠底几乎趋于零,采用玻璃钢材料防护结构后,可使其法向冻胀力减小51%～74%,切向冻胀力减小34%～46%。(4)在冻土地区使用聚苯乙烯保温板进行渠道防冻胀效果显著,可以使渠底基土温度达到正温,不发生冻结。通过有限元软件ADINA可以计算不同地区混凝土衬砌渠道聚苯乙烯保温板的厚度,渠底基土温度值随保温板厚度增加而升高,但温度升高速率随保温板厚度增加而减小。所以在确定保温板厚度时应该通过计算得到在经济技术上最佳的厚度值。根据不同地区的气象资料,渠道渠基土性质,地下水条件等,可运用有限元软件ADINA对其进行数值模拟,得到混凝土衬砌渠道及其基土的温度场分布,合理的聚苯乙烯保温板厚度,对利用经验公式或规范得到的结果进行修正,为不同地区的混凝土衬砌渠道保温抗冻胀的设计提供参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-17
  1.1 研究背景及意义  12
  1.2 研究现状  12-15
    1.2.1 太阳辐射对混凝土建筑物影响  12-14
    1.2.2 渠道冻胀破坏研究  14-15
    1.2.3 存在问题  15
  1.3 本文主要研究内容及技术路线  15-17
    1.3.1 研究的主要内容及创新点  15-16
    1.3.2 研究方法及技术路线  16-17
第二章基于ASHRAE 太阳辐射模型的渠道冻胀有限元分析  17-23
  2.1 原型概况  17-18
  2.2 有限元计算分析  18-21
    2.2.1 有限元模型  18
    2.2.2 边界条件的确定  18-19
    2.2.3 结果分析  19-21
  2.3 本章小结  21-23
第三章基于Hottel 模型的渠道吸收太阳辐射敏感性分析  23-27
  3.1 Hottel 太阳辐射模型  23-24
  3.2 渠道表面吸收太阳辐射的敏感性分析  24-25
    3.2.1 正交实验设计的基本原理  24
    3.2.2 正交法计算  24-25
  3.3 结果分析  25-26
    3.3.1 极差分析  25
    3.3.2 趋势分析  25-26
    3.3.3 方差分析  26
  3.4 本章小结  26-27
第四章季节性冻土区玻璃钢防渗渠道抗冻胀性能初探  27-35
  4.1 玻璃钢防渗衬砌的结构与性能  27
  4.2 力学模型的建立  27-29
    4.2.1 基本假设  27-28
    4.2.2 热传导方程  28
    4.2.3 本构方程  28-29
  4.3 有限元模型及参数选取  29-31
    4.3.1 有限元模型  29-30
    4.3.2 有关参数选取  30-31
  4.4 计算结果分析  31-34
    4.4.1 温度场分析  31
    4.4.2 位移场分析  31-32
    4.4.3 衬砌板下冻胀力分析  32-34
  4.5 结论  34-35
第五章混凝土衬砌渠道聚苯乙烯泡沫板防冻胀数值模拟  35-45
  5.1 热传导方程  35
  5.2 有限元模型  35-43
    5.2.1 有限元模拟的基本假设  36
    5.2.2 有关参数选取  36-37
    5.2.3 温度场计算  37-43
  5.3 结论  43-45
第六章结论与展望  45-47
  6.1 结论  45-46
  6.2 展望  46-47
参考文献  47-51
致谢  51-52
作者简介  52

考虑太阳辐射的渠道冻胀数值模拟研究

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