輸水管道冬季輸水保溫的研究

郭 鋒，路曉婷

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

輸水管道冬季輸水保溫的研究

郭 鋒，路曉婷

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

對(duì)于冬季運(yùn)行的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土表面的溫度受到氣溫與太陽(yáng)輻射熱的影響，從而使輸水管道內(nèi)外壁面形成較大的溫度差，影響結(jié)構(gòu)的安全可靠性。文中根據(jù)固體熱傳導(dǎo)理論，結(jié)合邊界條件，利用ANSYSY有限元軟件數(shù)值模擬冬季輸水條件下無(wú)保溫措施與有保溫措施輸水管道。數(shù)值模擬結(jié)果表明：冬季氣溫下降迅速，導(dǎo)致管道表面出現(xiàn)溫度裂縫，采取保溫措施，可有效地控制溫度裂縫。

冬季輸水；輸水管道；溫度場(chǎng)；溫度應(yīng)力；保溫效果

在我國(guó)北方地區(qū)，冬季氣溫較低且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并且冬季降雨量特別小，需要輸水管道在冬季運(yùn)行供水。揚(yáng)黃工程從寧夏吳忠市東干渠提引黃河水，冬季提取的河道水流溫度要比氣溫高，管道內(nèi)壁溫度接近水溫，由于水的比熱大，溫度變化小，管身產(chǎn)生了很大的橫向溫度應(yīng)力，表面出現(xiàn)了裂縫。溫度應(yīng)力形成的裂縫嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性。因此，輸水管道在冬季運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)采取有效的保溫措施，防止表面溫度裂縫的產(chǎn)生。

1 輸水管道的熱傳導(dǎo)方程

假定輸水管道的壁面結(jié)構(gòu)為半無(wú)限厚板，水溫沿輸水管道方向分布均勻，管道環(huán)向溫度分布也是均勻的。那么只有在壁厚方向存在熱傳導(dǎo)，從而將三維固體熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)，運(yùn)行期的水工建筑物，混凝土溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定溫度，氣溫與管道內(nèi)水流溫度影響結(jié)構(gòu)的溫度。取輸水管道橫截面建立二維模型來(lái)數(shù)值模擬。一維溫度場(chǎng)T（x，t）滿(mǎn)足熱傳導(dǎo)方程

式中：a——混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)，a=λ/cρ，m2/h；λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·k）；c——混凝土的比熱，W/（m·k）；ρ——混凝土的密度，kg/m3。

2 輸水管道的溫度邊界條件

固體熱傳導(dǎo)方程確定了固體溫度場(chǎng)隨時(shí)間與空間變化的規(guī)律，如果想得到需要的溫度場(chǎng)，必須引入相應(yīng)的邊界條件與初始條件，這樣才能得到熱傳導(dǎo)方程的定解。

2.1 初始條件

在初始時(shí)刻，導(dǎo)熱物體內(nèi)部的溫度分布是坐標(biāo)的已知函數(shù)，即當(dāng)t=0時(shí)，

2.2 邊界條件

固體熱傳導(dǎo)理論中，溫度邊界條件存在四類(lèi)，但輸水管道的溫度邊界條件根據(jù)實(shí)際情況可為第一類(lèi)邊界條件和第三類(lèi)邊界條件。

1）第一類(lèi)邊界條件?；炷帘砻娴臏囟萒是時(shí)間的已知函數(shù)，即

輸水管道外表面混凝土與水接觸時(shí)，內(nèi)表面溫度等于已知的水溫，即T混凝土=T水。

2）第三類(lèi)邊界條件。當(dāng)混凝土與空氣接觸時(shí)，靠近固體表面存在層流邊界層，在黏滯流邊界層內(nèi)，溫度是線(xiàn)性分布的。從而假定經(jīng)過(guò)混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度T與氣溫Ta溫度差成正比。

式中：β——混凝土表面放熱系數(shù)，W/（m·k）；n——壁身外法線(xiàn)方向。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 原始資料

揚(yáng)黃工程從寧夏吳忠市東干渠采用圓形輸水管道提引黃河水，輸水管道斷面為環(huán)狀，內(nèi)壁半徑0.6 m，外壁半徑0.7 m，管壁厚度為0.1 m，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土為C30，模擬冬季輸水工況，其材料參數(shù)：外界氣溫為-10℃，內(nèi)壁水溫-3.35℃；輸水管道外表面采用30 mm聚氨酯保溫板；假定輸水管道橫截面各向同性，材料均勻，混凝土熱膨脹系數(shù)α為0.000 01，彈性模量E為3.0×104MPa，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.74 W/（m·k）。泊松比μ=0.167，聚氨酯保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)λ= 0.016 3 W/（m·k），混凝土表面的散熱系數(shù)β= 17.4 W/（m·k）。

3.2 ANSYS計(jì)算模型的建立

運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)圓形輸水管道建模分析在冬季運(yùn)行期間的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力。由于沿管道長(zhǎng)度方向的溫度保持不變，則冬季輸水工況下的橫截面溫度應(yīng)力變成平面應(yīng)力問(wèn)題?？紤]的結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱(chēng)和荷載對(duì)稱(chēng)條件，取對(duì)稱(chēng)軸截取的1/4橫截面平面有限元模型，模型含有1 200個(gè)單元。

3.3 溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用ANSYS有限元軟件，分析了圓形輸水管道在有保溫措施和無(wú)保溫措施兩種工況下的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力，圖1和圖2給出了2種工況下的溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力等值線(xiàn)圖。

3.3.1 無(wú)保溫措施

輸水管道在冬季運(yùn)行，由于管道外壁處于外界低溫環(huán)境中，管道內(nèi)壁與水接觸，從而內(nèi)壁的溫度高于外壁的溫度，形成了管壁內(nèi)壓外拉。

圖1 無(wú)保溫措施溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力

通過(guò)輸水管道冬季低溫環(huán)境下溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，將模擬溫度場(chǎng)作用在結(jié)構(gòu)上，得到了冬季輸水工況下管道在無(wú)保溫措施情況下溫度應(yīng)力的分布規(guī)律，圖1中數(shù)值正為拉應(yīng)力，負(fù)為壓應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)保溫措施時(shí)，管壁沿壁厚方向的溫度場(chǎng)近似成線(xiàn)性分布，管壁內(nèi)外表面溫度梯度較大。由于管壁內(nèi)外溫度差很大，導(dǎo)致管道內(nèi)外壁面在徑向與環(huán)向出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力，環(huán)向最大溫度應(yīng)力分布在管道外壁，最大拉應(yīng)力為1.71 MPa。3.3.2有保溫措施

有保溫措施時(shí)（見(jiàn)圖2），保溫板有效地阻礙了內(nèi)部水溫通過(guò)管壁向外部低溫環(huán)境的散失，很大程度上阻止外部冷空氣的向管壁內(nèi)部入侵，從而有效地控制了管壁內(nèi)外的熱傳導(dǎo)效果，使外壁溫度有了顯著提高，從-8.86℃升高到2.01℃。輸水管道內(nèi)外壁面的溫度梯度有了大幅度的減小，致使其溫度應(yīng)力有了明顯的下降，環(huán)向最大拉應(yīng)力分布在管壁外表面，最大拉應(yīng)力為0.2 MPa。

由于流體的微觀粒子運(yùn)動(dòng)，形成了通過(guò)流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行的熱量傳遞，這與流體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，靠近壁面處有一薄層流體順著壁面做層流流動(dòng)，存在垂直于流動(dòng)方向的熱量傳遞。流體導(dǎo)熱系數(shù)小，熱量阻隔主要集中在該層。紊流層中流體質(zhì)點(diǎn)劇烈摻混，溫度均勻。從而與管道內(nèi)壁接觸邊界條件應(yīng)考慮對(duì)流換熱系數(shù)hc（W/（m2·℃）選取對(duì)流換熱系數(shù)：外管壁為30hc，內(nèi)管壁為3.5hc。

圖2 有保溫措施溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力

4 結(jié)論

根據(jù)有限元基本理論，通過(guò)計(jì)算2種工況溫度場(chǎng)，并對(duì)比輸水管道在有保溫措施和無(wú)保溫措施2種情況下的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的變化情況，可得出以下結(jié)論：

1）混凝土管道在冬季低溫環(huán)境下輸水時(shí)，由于水溫和氣溫所造成的溫差均能在橫截面的產(chǎn)生較大徑向與環(huán)向的溫度應(yīng)力，很容易導(dǎo)致管道表面產(chǎn)生裂縫。

2）當(dāng)管道壁面設(shè)置0.3 cm保溫板，削減了管道內(nèi)外壁面溫差，使得管道厚度方向溫度梯度大為減小，從而降低了表面環(huán)向拉應(yīng)力峰值，達(dá)到控制表面裂縫的目的。

3）2 種工況下沿管道厚度方向的溫差呈線(xiàn)性分布，沿環(huán)向的溫度分布是均勻的，橫向溫度應(yīng)力分布符合管道自身約束產(chǎn)生的自應(yīng)力。

［1］張洪劑.熱傳導(dǎo)［M］.北京：高等教育出版社，1992：150-197.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1999.

［3］何文社，季日臣.水力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］王新敏.工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

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2016-07-13