CC BY
19
УДК 625.745.21:624.2/8(075.3) Я.В. Клочков
© Я.В. Клочков, 2014
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СООРУЖЕНИЯ ПРИ БЕЗНАЛЕДНОМ ПРОПУСКЕ ВОДЫ
Рассмотрен способ противоналедной борьбы, заключающийся в устройстве лотка, утепленною по поверхности земли, и рассмотрена методика его теплотехнического расчета с помощью компьютерного моделирования. Созданная модель наиболее полно учитывает все внешние факторы, влияющие на тепловой режим лотка, и позволяет прогнозировать тепловой режим водопропускных сооружений. Ключевые слова: компьютерное моделирование, наледеобразование, тепловой режим, температурное поле.
Сложные климатические, инженерно - геологические и гидрологические условия характерные для многих районов приводят к образованию наледей, на переходах транспортных сооружений через водотоки. При эксплуатации автомобильных и железных дорог они создают значительные затруднения, из которых основными являются: нарушение нормального режима работы водопропускных сооружений в холодный период года, повреждения искусственных сооружений, переувлажнение земляного полотна в начале теплого периода года, деформация земляного полотна, опор мостов, труб, фундаментов зданий и т.п. на участках образования наледных бугров. Для противоналедной борьбы существует ряд известных способов, основные из которых описаны в [1-4].
Специальные противоналедные сооружения по принципу работы разделяются на четыре группы: безнале дного пропуска, удерживающие, дренажно-каптажные сооружения, искусственные сооружения со свободным пропуском наледей.
К группе сооружений безналедного пропуска относятся открытые или закрытые утепленные лотки, водоотводные канавы, траншеи, трубчатые подземные или утепленные надземные водоводы, теплоаккумулирующие пруды, емкости, незамерзающие водовыпуски. Безналедный пропуск указанными сооружениями обеспечивается снижением удельных потерь тепла водным потоком или компенсацией этих потерь за счет дополнительных энергетических источников. Снижение удельных потерь тепла водным потоком достигается уменьшением площади теплообмена его с охлаждающей средой, теплоизоляцией водоводов, лотков, заглублением их в грунт, утеплением (перекрытием) лотков, канав, траншей [2].
Рис. 1. Поперечный разрез дренажа
Для исключения образования наледи предлагается в подмостовом русле, где образуется наледь устроить лоток (рис. 1, 2), утепленный по поверхности земли слоем утеплителя, сквозь отверстие моста, без его уменьшения. За счет сохранения положительных температур в теле лотка в зимнее время, обеспечивается сток воды за пределы сооружения. При такой организации пропуска воды канал промерзает лишь сверху на незначительную величину, при этом поток воды продолжает канализироваться в нижнем сечении канала.
Необходимо отметить, что все мероприятия направлены на работу с грунтовыми и поверхностными водотоками в межень, поэтому расход воды принимается по замерам за зимний период, без учета расхода от стока ливневых вод и снеготаяния.
Данная конструкция лотка c утеплением по поверхности земли не рассмотрена в специальной литературе и ее теплотехнический расчет не предусмотрен. При использовании такого мероприятия определяющими конструкцию утепления расчетными параметрами являются начальная температура потока, температура на глубине нулевых годовых амплитуд, расход воды в зимний период.
Для определения оптимальной ширины и толщины утепляющего слоя было
Ось У
Рис. 3. Расчетная схема
произведено математическое моделирование теплофизического процесса сезонного промерзания-оттаивания грунта в программной среде МОДЭН 3.0. Моделирование велось с учетом пропуска измеренного в зимний период 2013-2014 гг. расхода воды в районе железнодорожного моста с постоянным образованием наледи, который составил 8 л/с, при температуре воды 1,5 °С. Расчетная схема приведена на рис. 3.
Пусть на момент времени t = 0 задано температурное поле для всех N элементов среды и известна функция изменения температуры поверхностных элементов среды в годовом цикле 'Щ. Требуется определить распределение температур в каждом элементе среды в плоскости ОХУ (рис. 1) для произвольного значения времени t.
Согласно гипотезе Фурье количество теплоты, проходящее через элемент изотермической поверхности равно
¿0 =-Х — ¿ГА,
¿п , вТ_
где X - коэффициент теплопроводности; ¿п - температурный градиент; ¿Г -элемент изотермической поверхности; А - промежуток времени.
При различном градиенте температуры для разных точек поверхности количество теплоты, Вт, которое пройдет через всю изотермическую поверхность определится как
д = -\х ¿Тбг Г ¿п
Полное количество теплоты, прошедшее за время т через изотермическую поверхность Г равно
х ,-р
о = -Г1Ч—¿Г&
ог ¿п ,
Так как в неоднородной среде вектор нормали в разных точках направлен в разные стороны расчет с помощью стандартных формул затруднен.
Для упрощения математического аппарата значения теплового потока были спроецированы на координатные оси [5]
'=~х ах'
. ¿Т
'у = ~х ¿у '
При расчете принята двухмерная модель, которая представляет собой элементарные части материала с сосредоточенными параметрами Таким образом, решается краевая задача первого рода для двухмерной области с заданной температурой на ее границах: сверху задается температура воздуха; снизу задается температура на глубине нулевых годовых амплитуд, определенная в процессе изысканий.
Далее считается, что поток тепла в направлении оси ОЕ, перпендикулярной плоскости ОХУ, для всей рассматриваемой области пространства равен нулю.
Рассматриваемая область рассечена осью симметрии на две одинаковые части и разбита на отдельные элементы единичной длины ¿г в направлении оси ОЕ с поперечными размерами.
Количество тепла полученного каждым элементом извне за единицу времени определяется по формуле
= (4-1 - 4+1) • ¿X ■ ¿2 • + (- +1) • ¿У • ¿2 • ¿*,
где - количество тепла, отданного или полученного извне (¡, ;')-м элементом за время Л;
сЦ = С, ■ ри ■ ёх ■ ёу ■ ёг ■ ( () - Т, ( + Л)) + 0Ф !т= Тф +0ПВ
J.-1 - поток тепла, проходящий через единицу площади от (¡, ;')-го к (¡-1, ;)-му элементу в единицу времени
Т-1,, (*)- Т, (*)
4-1 = ^¡-1,+
¿X
- теплота фазового перехода воды в элементе = г • рл -¿х .¿у •¿2 • ы
где г - удельная теплота плавления льда; рл - плотность воды; ш - влажность грунта.
Тогда температура ¡-го элемента на шаге по времени t + ¿1 определяется выражением
т, (*+)= Т, (*)+-
■ •Л
С., • ¿X • ¿у • ¿2 • р.,, р8 • (1 + ы)
где р.-, =—---плотность грунта (1,;)-го элемента;
, + 1 + еи
р5 - плотность частиц грунта; ш - влажность грунта; X.. - коэффициент теплопроводности (¡, ;')-го элемента; с(,) - удельная теплоемкость (¡, ;')-го элемента.
Теплофизические константы грунта задаются в зависимости от агрегатного состояния воды, содержащейся в его порах.
Рис. 4. График изменения температур по оси потока до утепления
Рис. 5. График изменения температур по оси лотка во времени
На рис. 4, 5 приведены данные по распределению температур по глубине до и после утепления лотка, расчетный период составил 3 года, по которым видно, что до утепления промерзание наблюдается на глубину лотка и более (до 2 м), а после утепления - не более чем на половину глубины лотка.
Задаваясь различными значениями толщины А и ширины э утепления получены глубины промерзания для различных схем (таблица).
Согласно расчету оптимальными параметрами утепления, исходя из наименьшей глубины промерзания дренажа и наименьшего расхода ма-
Зависимость глубины промерзания от типа утепления
Ширина утепления, в Толщина утепления, d Объем материала, м3 Глубина промерзания, м,
ось лотка край утепления грунт
нет нет нет 2,6 3 3,2
0,4 0,2 4 2,4 2,8 3
0,8 0,2 8 1,8 2,8 3,2
2 0,2 20 1,2 2,4 3,4
3,2 0,2 32 0,8 2,4 3,4
4 0,2 40 0,8 2,4 3,4
0,8 0,3 12 1,6 2,2 3,4
1,2 0,3 18 1,1 2,2 3,4
1,6 0,3 24 0,9 2,2 3,4
2 0,3 30 0,7 1,8 3,4
1,2 0,4 24 0,8 2,2 3,4
1,6 0,4 32 0,6 2,2 3,4
териала, предлагается считать ширину э = 2 м, толщину d = 0,3 м.
Таким образом, созданная модель наиболее полно учитывает все факторы, влияющие на тепловой режим лот-
ка, она позволяет имитировать процессы в динамическом развитии, максимально соответствующем реальной ситуации, и прогнозировать тепловой режим водопропускных сооружений.
1. Борьба с наледями на железных и автомобильных дорогах / Под ред. А.И. Завьялова. - М.: Транспорт, 1966. - 112 с.
2. ВСН 210-91. Проектирование, строительство и эксплуатация противоналедных сооружений и устройств.
3. Методические указания по проектированию противоналедных устройств. - М.: ЦНИИС, 1970.
4. Рекомендации по изысканиям, проектированию и строительству малых искус-
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ственных сооружений на водотоках с процессами наледеобразования. - М.: ВНИИ, транспорт. стр-ва, 1968.
5. Клочков Я.В., Непомнящих Е.В. Совершенствование методов определения те-плофизических свойств для нетрадиционных строительных материалов // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. - Т. 64. - № 5. - С. 7881. 1ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Клочков Яков Владимирович - аспирант, e-mail: Klochkov.zabirt@mail.ru,
Забайкальский институт железнодорожного транспорта,
филиал Иркутского государственного университета путей сообщения.
UDC 625.745.21:624.2/8(075.3)
COMPUTER SIMULATION OF TEMPERATURE FIELD IN ICE HILLOCK CONTROL
Klochkov Ya.V., Graduate Student, e-mail: Klochkov.zabirt@mail.ru, Transbaikalian Railway Transport Institute,
a branch of Irkutsk State Railway Transport Engineering University.
This article was reviewed method of ice hillock control consist in design conduit which winterize by covering the ground heat insulation material. As the method of thermal calculation using computer simulation. The model fully takes into consideration all the external factors that affect the thermal control of the conduit, and allows us to predict the thermal control of the culvert.
Key words: computer simulation, ice hillock control, thermal control, temperature field.
REFERENCES
1. Bor'ba s naledyami na zheleznykh i avtomobil'nykh dorogakh. Pod red. A.I. Zav'yalova (Combating icing on railways and roads. Zav'yalov A.I. (Ed.)), Moscow, Transport, 1966, 112 p.
2. VSN 210-91. Proektirovanie, stroitel'stvo i ekspluatatsiya protivonalednykh sooruzhenii i ustroistv (VSN 210-91. Design, construction and operation protivolednym structures and devices).
3. Metodicheskie ukazaniya po proektirovaniyu protivonalednykh ustroistv (Guidelines for designing protivolednym devices), Moscow, TsNIIS, 1970.
4. Rekomendatsii po izyskaniyam, proektirovaniyu i stroitel'stvu malykh iskusstvennykh sooruzhenii na vodotokakh s protsessami naledeobrazovaniya (Recommendations for survey, design and construction of small structures on watercourses with processes deleteoperation), Moscow, VNII, transport. str-va, 1968.
5. Klochkov Ya.V., Nepomnyashchikh E.V. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta, 2012, vol. 64, no 5, pp. 78-81.
