基于ANSYS的寒區(qū)隧道瞬態(tài)溫度場分析

茍勝榮， 李萍萍

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院， 陜西 楊凌 712100)

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基于ANSYS的寒區(qū)隧道瞬態(tài)溫度場分析

茍勝榮， 李萍萍

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院， 陜西 楊凌 712100)

摘要：利用ANSYS軟件對(duì)某寒區(qū)鐵路隧道的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行分析，得到了外界空氣以一定的速度流入隧道時(shí)隧道內(nèi)空氣、襯砌及圍巖溫度場的變化情況，并且對(duì)比分析了不同的空氣流通速度條件下溫度場的分布情況，為寒區(qū)隧道的養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)隧道； 空氣流速； 圍巖； 瞬態(tài)溫度場

0引言

寒區(qū)隧道貫通之后，隨著外界空氣對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境的影響，隧道內(nèi)熱環(huán)境將會(huì)日益惡化，導(dǎo)致隧道周圍巖體溫度升高，破壞凍土天然的水熱收支平衡，凍土地基工程穩(wěn)定性的下降，使隧道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生較大變形，整個(gè)隧道產(chǎn)生縱向不均勻變形[1]，襯砌漏水、路面(隧底)冒水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間的安全性及結(jié)構(gòu)的長期壽命。融沉破壞已成為凍土地區(qū)建筑物凍害的主要原因之一[2]。因此有必要對(duì)在不同空氣流通情況下隧道內(nèi)溫度場進(jìn)行分析，以了解隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營行車的安全情況。

1控制方程

牛頓提出：對(duì)流換熱熱流量與固壁——流體之間的溫度差ΔT及接觸面積A成比例，比例系數(shù)為α，即

φ=AαΔT

(1)

或者

(2)

在對(duì)流換熱中，其熱動(dòng)勢(shì)為固壁與流體之間的溫差ΔT，對(duì)流換熱阻為1/Aα，其中A為流體與固體的接觸面積， α表示對(duì)流換熱系數(shù)，單位是W/(m2·K)。

本研究過程中所涉及到的對(duì)流換熱問題屬于無內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)空間溫度場問題，所遵循的熱平衡微分方程為[3]：

(3)

2有限元計(jì)算模型

2.1有限元模型的建立

本研究以世界上最長的凍土隧道、青藏鐵路格拉段第一大控制工程昆侖山隧道為研究對(duì)象，研究不同的空氣流通速度對(duì)寒區(qū)隧道周圍巖體溫度場分布情況的影響。昆侖山隧道里程為DK976+250 ～ DK977+936，全長1 686 m。溫度場有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　有限元計(jì)算模型

2.2邊界條件

根據(jù)計(jì)算模型特點(diǎn)及昆侖山隧道當(dāng)?shù)氐膶?shí)際環(huán)境，確定邊界條件為：

(1)在對(duì)稱面上，水平方向的熱通量為0。

(2)入口邊界溫度與外界大氣溫度相等：Ta=T0，此處取T0為10 ℃。圍巖的定溫度層邊界及深層巖土的溫度Tdw=-2.5 ℃。

(3)出口邊界處溫度梯度為0：

(4)

(4)隧道內(nèi)的空氣與隧道襯砌進(jìn)行對(duì)流換熱：

(5)

其中: Tt為隧道的壁面; Ta為與隧道接觸的空氣。

2.3初始條件

傳熱過程開始時(shí)物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值，結(jié)合該隧道所處地區(qū)的實(shí)際情況，用公式表示為：

隧道空氣Ta|t=0=10 ℃，隧道襯砌Tt|t=0=-2 ℃，周圍凍土圍巖Tf|t=0=-2.5 ℃。

3瞬態(tài)溫度場計(jì)算

當(dāng)外界空氣以5 m/s和14 m/s兩種速度進(jìn)入隧道時(shí)，通過分析研究得，隧道內(nèi)各截面的瞬態(tài)溫度場沿隧道徑向的分布情況如圖2～11所示：

圖2洞口處溫度場分布 圖3距入口86 m處溫度場云圖

圖4 距入口286 m處溫度場分布 圖5距入口486 m處溫度場云圖

圖6 距入口686 m處溫度場分布 圖7距入口886 m處溫度場云圖

圖8 距入口1 086 m處溫度場分布 圖9距入口1 286 m處溫度場云圖

圖10距入口1 486 m處溫度場分布 圖11出口處溫度場云圖

隧道內(nèi)的瞬態(tài)溫度場沿隧道軸向的分布情況如圖12所示：

圖12　隧道內(nèi)瞬態(tài)溫度場沿隧道軸向分布云圖

通過比較隧道在空氣流通速度為5 m/s和14 m/s的溫度場分布情況，空氣、襯砌、圍巖的溫度場分布如下：

空氣溫度在距離洞口一定范圍內(nèi)沿隧道軸向變化是不明顯的，在風(fēng)速不相同的情況下，速度為14 m/s比速度為5 m/s空氣溫度沿軸向溫度變化不明顯的區(qū)域更長，另外，沿著徑向來看，距離襯砌一定范圍內(nèi)，空氣溫度比較低，在核心區(qū)域，溫度比較高。

襯砌的溫度在距離隧道壁面一定范圍內(nèi)溫度場的變化是不明顯的，該范圍的大小跟空氣速度大小有密切的關(guān)系，其后在距離隧道一定距離后，溫度變化開始變得明顯，相同時(shí)長的情況下，不同的速度，造成襯砌0 ℃以上的厚度不同，速度越高，襯砌0 ℃以上的厚度就越大。

由于計(jì)算總時(shí)長較小，空氣的溫度分布還沒有對(duì)隧道的圍巖溫度場分布產(chǎn)生比較明顯的影響，此時(shí)，隧道圍巖的溫度場的變化只與襯砌溫度有關(guān)，從隧道全長來看，圍巖的溫度變化不明顯。

4結(jié)語

(1)在距離隧道洞口一定范圍內(nèi)，隧道內(nèi)空氣溫度沿隧道徑向和軸向的變化并不明顯。

(2)隧道襯砌的溫度變化和空氣流速有關(guān)，隨著空氣流速的增大，隧道內(nèi)空氣與襯砌之間的熱交換越明顯，導(dǎo)致襯砌溫度變化越大。

(3)不同的空氣流速對(duì)隧道內(nèi)空氣、隧道襯砌和隧道周圍圍巖的溫度場影響不同。

(4)由于計(jì)算時(shí)間的限制，從隧道全長范圍來看，隧道周圍圍巖的溫度場變化并不明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]程國棟，楊成松. 青藏鐵路建設(shè)中的凍土力學(xué)問題[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2006，28(3)：1-8.

[2]楊成松，何平，程國棟，施燁輝. 凍土熱融下沉研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，(12)：147-150.

[3]孔祥謙. 有限單元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1998.

[4]王 敏，寧波，李科興. 黃土隧道襯砌背后空洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響分析[J]. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，(1)：47-48.

[5]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6]楊凡杰. 昆侖山隧道溫度場及凍脹力分析[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué)，2009.

The Analysis of Transient Temperature Field of the Tunnel

in Cold Regions by ANSYS

GOU Sheng-rong，LI Ping-ping

(Branch College of Architectural Engineering，Yangling Vocational and Technical College，Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:The transient temperature field about the tunnel in cold regions was analyzed when the wind flowed through the tunnel. The changes of transient temperature field about the air in the tunnel, the lining and the surrounding rock with certain wind speed was got. The distribution situation of transient temperature field with different wind speeds through the tunnel was analyzed, providing a reference basis for the maintenance of tunnel in cold regions.

Key words:cold regional tunnel; wind speed; surrounding rock; transient temperature field

中圖分類號(hào)：U451+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9131(2015)02-0049-04

作者簡介：茍勝榮(1987-)，男，碩士，助教。主要從事橋梁與隧道工程和建筑工程方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2014-11-12