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發(fā)展起來的一項交通養(yǎng)護技術，對于交通安全、節(jié)約能源和環(huán)境保護具有重要意義。本文以基于太陽能、地熱能等可再生熱源的流體加熱道路融雪系統(tǒng)為研究對象，主要針對融雪過程中的有關傳熱傳質(zhì)過程展開了一系列基礎理論與實驗研究，為進一步優(yōu)化設計與規(guī)?；瘧锰峁┝酥笇б罁?jù)。概括起來，本文的主要研究工作如下： 1）路面溫度場特性研究 建立了路面溫度場的二維非穩(wěn)態(tài)導熱模型，并對“路面-雪層-環(huán)境”的復雜傳熱傳質(zhì)邊界進行

2、了處理。通過Brian ADI格式算法，對上述模型進行數(shù)值求解，并基于Visual Basic平臺，開發(fā)了一個通用型的道路融雪模擬分析軟件，可輸出路面溫度場、雪層厚度、液膜厚度以及路面待融特征曲線等重要結(jié)果。 在太陽能輻射模型研究方面，對吳贛昌模型進行了修正，并基于Mallat算法和Daubechies系列小波，建立了連續(xù)太陽能輻射的小波變換模型。模擬結(jié)果表明，該模型在時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的太陽

3、能光熱應用領域。 2）道路融雪過程數(shù)值模擬 在上述溫度場分析軟件基礎上，分別對待融過程、融雪過程和融后過程進行了模擬研究。在待融過程中，定義了零度界線、零度時間等概念，提出了路面溫度場波動模型，其中考慮了管內(nèi)流體溫度的衰減效應。給出了具有普遍意義的路面待融特征曲線，將待融負荷、待融時間、融雪等級與降雪速率緊密聯(lián)系起來。在此基礎上，提出了一種基于圖解法的改進融雪熱負荷模型。 在融雪過程中，對雪層區(qū)域類型及其特性進行

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)構引起的毛細作用。對各種氣象條件下的動、靜態(tài)融雪過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，與加熱溫度相比，融雪管道布置對于融雪過程的影響更為明顯。此外，合理的待融過程能夠有效地縮短融雪時間。在融后過程中，建立了路面液膜蒸發(fā)過程的傳熱傳質(zhì)模型，并對各種氣象條件下的液膜蒸發(fā)過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，氣象參數(shù)對融后工況的影響程度有所不同，基本順序為：太陽輻射強度>環(huán)境溫度>環(huán)境風

5、速>相對濕度。在此基礎上，提出了一種有利于系統(tǒng)節(jié)能的折中加熱方案。 3）道路融雪實驗研究 建立了一個小型道路融雪實驗系統(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熱系數(shù)，并初步分析了含水率對路面?zhèn)鳠徇^程的影響。 通過冰雪物理特性、融化面積比、融化速率和融化時間等分析，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)果進行了對比。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。實驗表明，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)境溫度有直接關系。 融化面積比曲線可分為初始期、緩速期和加速期等三個階段，且冰和雪的臨界融化面積比有所不同。冰層融化過程中容易存在“翹層”現(xiàn)象，一定程度上會延緩融化時間，而融雪過程通常不會形成“翹層”現(xiàn)象。就融化速率而言，大小順序為：碎冰>實冰>人工雪>自然雪。對于相同厚度的冰/雪