基于ANSYS Workbench的泄水閘室靜冰溫度梯度數(shù)理模擬研究

付志坤，余小花

(江西省潦河工程管理局，江西 宜春 330700)

泄水閘室抗冰害設(shè)計和維護離不開對閘室冰層溫度梯度分布規(guī)律的充分研究和把握。為探究泄水閘室冰層的靜冰壓力分布狀態(tài)和規(guī)律，本研究以開敞式泄水閘冰層視角，借助ANSYS Workbench分析系統(tǒng)，對泄水閘室靜冰溫度梯度開展多參量數(shù)理模擬計算分析，以為閘室抗冰害工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建設(shè)安全牢固的泄水閘門工程。

1 泄水閘室靜冰數(shù)理模擬模型

1.1 閘室的實體冰層模型

泄水閘常見有兩種，一種是涵洞式，另一種是開敞式。它主要由兩部分組成，分別是閘室和上下游連接段。就前者而言，它在泄洪中發(fā)揮著功不可沒的主體作用，結(jié)構(gòu)布局相對比較簡單，主要由閘門、底坎等基礎(chǔ)設(shè)施組成。因為閘室結(jié)冰層便于觀察與研究，因此在本文中，筆者將立足于開敞式泄水閘冰層視角，對靜冰壓力分布規(guī)律展開廣泛且深入地探討與研究。

冰層常見于閘門與左右閘墩上游側(cè)合圍區(qū)域。雖然泄水閘閘室體積大小不一，但因為本文是側(cè)重于對靜冰壓力分布規(guī)律的研究與分析，因此可忽略體積規(guī)格等問題。通過對松花江大頂子山樞紐工程閘門數(shù)據(jù)的有效梳理與系統(tǒng)總結(jié)，筆者決定建設(shè)孔口寬度20 m、閘墩引流長度5 m的側(cè)合圍區(qū)域。翻閱相關(guān)文獻資料后得知，松花江冰厚基本保持在1m左右?；诖斯P者決定建設(shè)規(guī)格為20 m×5 m×1 m的長方體，并利用這些數(shù)據(jù)建立三維立體模型。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型的加密劃分

大量實踐研究已明確證實，相較于四面體網(wǎng)絡(luò)，六面體網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢更為顯著，既能規(guī)避計算誤差，還能縮短計算時間，從根本上保證計算效率。因此，在本課題中，筆者選用了集多重優(yōu)勢為一身的六面體網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)。同時利用先進且可靠的Solid90系統(tǒng)對單元開展技術(shù)劃分。研究和經(jīng)驗均告訴我們，冰層厚度是引發(fā)靜冰壓力差異的關(guān)鍵因素，因此本研究重點在模擬計算模型的y方向，實施了多層加密劃分，單元體積為100 mm且冰層為10層。而x與z方向單元體積均設(shè)定為500 mm。其中，單元和節(jié)點的規(guī)模分別達到了4 000個和18 821個。不僅如此，約束邊界條件發(fā)生改變，同樣也會引發(fā)靜冰壓力變化。理論上講，冰層的約束條件可劃分為以下兩種：一是河道式斜坡約束，比如水庫、河道等；二是閘墩式豎直約束，比如蓄水池等。為論證靜冰壓力是否具備貫穿性，分別基于兩種約束條件下展開逐一研究，最后對獲得的結(jié)果進行對比與分析。

1.3 閘室冰層的熱力參數(shù)

通過國內(nèi)外學(xué)者的研究成果及有效數(shù)據(jù)的整理與歸納，本研究依據(jù)的泄水閘室冰層主要熱力學(xué)參數(shù)具體詳見表1所示。

表1 泄水閘室冰層主要熱力學(xué)參數(shù)

2 沿冰厚的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度梯度模擬計算分析

2.1 沿冰厚的溫度穩(wěn)態(tài)梯度計算模擬分析

穩(wěn)態(tài)冰層溫度場系為給冰面確定一個溫度值，通過技術(shù)對檢測確定出溫度梯度分布情況，也就是求出初始溫度。在本課題中，筆者提出了以下幾個假設(shè)前提：

(1)受環(huán)境變化影響，冰層的溫度會發(fā)生一定改變，因此假設(shè)環(huán)境溫度和冰層溫度都是穩(wěn)定升高的。

(2)為更好地反映冰層內(nèi)部溫度場，我們將冰層假定為不存在氣泡、不存在縫隙以及熱傳遞符合理論要求的理想狀態(tài)。

(3)初始冰面溫度設(shè)定為-20℃，初始?xì)鉁嘏c初始冰面溫度完全一致。

(4)定義冰水接觸面為恒定0℃。

根據(jù)計算結(jié)果繪制出相匹配的溫度走勢分布圖，具體見圖1所示：

(冰面溫-20℃，冰厚1 m，底面溫0℃)

從圖1數(shù)據(jù)分析，我們可以了解到，冰溫與冰厚間有顯著的線性關(guān)聯(lián)關(guān)系存在，而且同層冰溫基本完全一致。此狀態(tài)表明，冰溫差異主要集中反映在厚度方向。

2.2 沿冰厚的瞬態(tài)溫度梯度模擬計算分析

瞬態(tài)傳熱，顧名思義，就是系統(tǒng)在短時間內(nèi)就能快速達到整體升溫或者冷卻的狀態(tài)?；诒鶎由郎貤l件下靜冰壓力才會對應(yīng)發(fā)生相對改變，因此本研究選擇忽略冰層降溫角度的分析研究。求解瞬態(tài)溫度場模擬計算中，將初始溫度作為迭代對象，并通過一系列數(shù)據(jù)計算確定出熱力學(xué)值，由此便可獲悉冰層的瞬態(tài)梯度溫度分布狀態(tài)。

在整個冰層的整體溫升過程中，模擬計算系統(tǒng)就會相機產(chǎn)生如下兩個重要計算參數(shù)，一為升溫時程跨度，二為溫度增量。通過對這兩個參數(shù)進行求導(dǎo)計算便可確定出溫升率。

3 基于溫度增量參數(shù)恒定的溫度梯度計算分析

基于-20℃～-10℃的溫度區(qū)間內(nèi)，設(shè)定溫度增量參數(shù)為10℃。分別對4個時程跨度下的瞬態(tài)熱進行全面分析。由此生成的冰厚/溫度曲線關(guān)系如圖2所示：

(冰厚1 m，-20℃至-10℃溫度段，溫度增量10℃)

圖2曲線揭示，在溫度增量不變但時程跨度差異的條件下，溫度在冰厚上1/3處大范圍浮動，但在下2/3處表現(xiàn)出很強的線性特征。這就意味著說明冰層表面溫度逐層向下傳，但存在延時現(xiàn)象。而超過1/3冰厚后熱傳遞基本穩(wěn)定，直至最后趨近0℃；盡管存在明顯的時程跨度差異，但最低溫度點都在冰厚0.2 m處形成。在時程跨度增加的同時，最低溫度點的位置也相應(yīng)下移；當(dāng)溫度增量恒定時，時程跨度越長，溫度變化浮度就越小，時程跨度越短，溫度變化就越顯著。由此可斷定，在溫升率不斷減小的情況下，冰層溫度變化也會愈發(fā)平穩(wěn)。

3.1 基于時程跨度參數(shù)恒定的溫度梯度計算分析

基于四個不同的溫度區(qū)間內(nèi)，分別對6個時程跨度下的瞬態(tài)熱分布狀態(tài)開展計算分析。模擬計算所生成的溫度段冰厚/溫度關(guān)系曲線具體可見圖3所示。

(冰厚1m、時程6h跨度)

圖3曲線揭示，在時程跨度相同的場景下，溫度在冰厚上1/3處大范圍浮動，但在下2/3處表現(xiàn)出很強的線性特征。這就意味著說明冰層表面溫度逐層向下傳，但存在延時現(xiàn)象。而超過1/3冰厚后熱傳遞基本穩(wěn)定，直至最后趨近0℃；盡管存在明顯的時程跨度差異，但最低溫度點都在冰厚0.2 m處形成。在時程跨度增加的同時，最低溫度點的位置也相應(yīng)下移；在時程跨度不變的前提下，隨著溫度增量的不斷減小，溫度變化浮度也相應(yīng)變小。由此可斷定，在溫升率不斷減小的情況下，冰溫變化也會愈發(fā)平穩(wěn)。其原因在于溫升率減小，冰層可接收到的熱量就越少，冰水溫度的浮動變化也就不顯著。

3.2 基于溫度段差異的梯度溫度計算分析

本研究設(shè)定溫度段、溫度増量、時程跨度參數(shù)見表2所示，兩種溫度段溫度冰厚關(guān)系曲線見圖4所示。

(冰厚1m、時程6h跨度、溫度10℃增量)

圖4數(shù)據(jù)揭示，溫度最低點均于0.2 m冰厚區(qū)域形成。意味即便處于不同的溫度段，在時程跨度相同和溫度增量不變且狀態(tài)下，最低溫度發(fā)生區(qū)域仍不會發(fā)生改變。原因是在溫升率一致的條件下，它們傳遞的熱量系為相同，故最低溫度點多發(fā)生于同一位置區(qū)域；并且溫升率基本相同，即便溫度段有所不同，冰溫分布規(guī)律和變化趨勢也是完全吻合的，由此可見，溫升率是影響冰溫分布的一個決定性因素。

表2 溫度段、溫度増量、時程跨度參數(shù)值

4 結(jié)語

本研究以數(shù)理模擬計算分析的方式，對泄水閘室靜冰溫度梯度開展多參量數(shù)理模擬計算分析?；谟嬎愠晒?，主要得出了以下幾個重要結(jié)論：

(1)在穩(wěn)態(tài)溫度場狀態(tài)中，冰溫表現(xiàn)為沿冰厚方向差異分布并且呈線性對應(yīng)狀態(tài)。

(2)在瞬態(tài)溫度場狀態(tài)中，冰厚的上1/3區(qū)域為非線性狀態(tài)，余下區(qū)域則線性特征明顯。冰厚的上1/3區(qū)域產(chǎn)生溫度最低點。溫升率是影響冰溫分布的一個決定性因素，溫升率越大，冰溫變化就越大，反之則越低。

(3)靜冰壓力在冰厚上1/3處表現(xiàn)出非線性特征，而其他位置則表現(xiàn)出明顯的線性特征。靜冰壓力最大值在1/3處出現(xiàn)，靜冰壓力在上半部的系數(shù)>0，下半部對應(yīng)的系數(shù)則<0。越大的溫升率條件下，冰溫和靜冰壓力越產(chǎn)生顯著變化。在保持溫升率不變條件下，非常低的起始溫度，則意味靜冰壓力也相對很?。槐鶎雍穸仍酱?，靜冰壓力也就越大；相較于閘墩式豎直約束邊界，河道式斜坡約束的靜冰壓力不僅小，而且冰溫變化也不大。