格栅增强沥青混凝土电热性能数值模拟.pdf

第 13卷第8 期 2016年 8 月 铁道科学与工程学报 Journal of Railway Science and Engineering Volume 13 Number 8 August 2016 格栅增强沥青混凝土电热性能 数值模拟 木 世 德 ， 周 卫 杰 (大连理工大学海岸和近海岸工程国家重点实验室， 辽 宁 大 连 116024) 摘 要 ：摘 要 ：利用破/玻 璃 纤 维 格 栅 增 强 沥 青 混 凝 土 的 良 好 电 热 性 能 ， 使 沥 青 混 凝 土 板 升 温 起 到 融 雪 化 冰 的 作 用 。环 境 温 度 、 风 速 、 发 热 功 率 和 冰 层 厚 度 是 影 响 沥 青 混 凝 土 板 化 冰 效 率 的4个 主 要 因 素 。 应 用ANSYS有 限 元 软 件 对 破 /玻 璃 纤 维 格 栅 增 强沥青混凝 土 的 化 冰 过 程 进 行 数 值 模 拟 来 预 测 其 化 冰 效 果 ， 并 用 试 验 结 果 验 证 有 限 元 模 拟 的 正 确 性 。结 果 表 明 ： 在各种工 况 下 ， 碳/玻璃纤维 格 栅 增 强 沥 青 混 凝 土 化 冰 过 程 的 模 拟 值 与 试 验 值 的 吻 合 度 比 较 高 。 关键词： 破/玻 璃 纤 维 格 栅 ； 妨 青 混 凝 土 ； 融雪化冰;数值模拟 中图分类号:U416.2 文献标志码:A 文章编号= 1672-7029(2016)08-1515-07 Numerical simulation on electrothermal properties of geogrid reinforced asphalt concrete SONG Shide, ZHOU Weijie (Dalian University of Technology, State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian 116024, China) Abstract： Carbon/glass fiber geogrid reinforced asphalt concrete is a new type of composite, which not only has good mechanical properties, but also shows excellent electrical conductivity. In this paper, the good electrother mal properties of carbon/glass fiber geogrid reinforced asphalt concrete were used to heat the asphalt concrete slab, then melt snow and deice the ice. The environment temperature, the wind speed, the heating power and the thickness of ice are four main factors of the asphalt concrete slab deicing efficiency. In this paper, the deicing process of carbon/glass fiber geogrid reinforced asphalt concrete were simulated by ANSYS finite element software to predict deicing effect. The experimental values were used to verify the correctness of the numerical simulation. The results show that under various operating conditions, the numerical values are very close to the experimental values in the deicing process of carbon/glass fiber geogrid reinforced asphalt concrete. Key words： carbon/glass fiber geogrid; asphalt concrete; snow melting and deicing； numerical simulation 当前， 我国道路交通飞速发展， 对我国经济建 设起到了重要作用。然而， 冬季的冰雪严重影响道 路畅通和行车安全。目前常用的除冰雪方法有人 工及机械清除法、 化学融化法和加热融化法等。加 热融化法包括地热管法1_2、 发热电缆法3、 导电 混凝土加热法4_5等。本文利用碳纤维束优异的 导电性能和抗拉强度， 将其与玻璃纤维制成格栅放 置于沥青混凝土中， 在提高沥青混凝土力学性能的 同时发挥其良好的电热性能起到融雪化冰的效果。 为了 了解碳/玻璃纤维格栅增强沥青混凝土电热条 收稿日期=2015-10-27 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（央高校基本科研业务费专项资金资助项目（DUT14LK18 ) ;国家青年科学基金资助项目（国家青年科学基金资助项目（11201023 );大连科技计划大连科技计划 (2013A15GX049) 通讯作者:宋世德（宋世德（1974-).男.山东威海人.讲师.博士.从事结构健康监测和新材料的应用研究;男.山东威海人.讲师.博士.从事结构健康监测和新材料的应用研究;E-mail: peterssd 15161516 铁 道 科 学 与 工 程 学 报铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2016年 8 月2016年 8 月 件下温度场的变化以及不同环境因素对其融雪化 冰效果的影响， 需要对本文的方案进行数值模拟。 侯作富等6_7用MARC对导电混凝土融雪化冰过 程进行有限元分析， 得出除冰时间与功率的关系， 给出了最经济的除冰功率以及风力对融雪化冰效 果的影响。樊玲8介绍了用焓法模型解决相变问 题的关键， 得到焓随时间的变化是连续的， 且与相 变界面无关的结论。舒明洋等9用ANSYS对碳纤 维导电沥青混凝土本身电热情况进行分析， 但并没 有进行化冰的模拟分析。黄勇 1 用 111- SIMULINK模拟电加热碳纤维管路面融雪化冰过 程 ， 但其模型的假设条件之一是将三维结构简化为 一维， 没有考虑发热碳纤维管之间的热耦合。刘建 国11用ANSYS模拟三相导电混凝土融雪， 但是没 有给出化雪的时程分析。赵宏明12用ANSYS模 拟碳纤维发热线混凝土板化冰， 但是分析中没有体 现冰融化的相变过程。针对上述模拟方法以及存 在的不足， 本文用ANSYS有限元对碳/玻璃纤维格 栅增强沥青混凝土的电热性能进行分析， 重点考虑 了冰的相变过程。 1有限元前处理 1 . 1 基本假设1 . 1 基本假设 碳/玻璃纤维格栅增强沥青混凝土导热过程是 内部多热源、 非稳态的导热问题， 考虑到导热与结 构的特殊性， 本文作出如下基本假定 1 14: 1) 不考虑温度沿着纵向分布的变化， 将三维 路面结构简化为二维。 2) 考虑到传导过程中温度是不断变化的， 因 此是非稳态导热问题。 3) 沥青混合料为均质常物性材料。 4) 冰层与沥青混凝土层之间接触良好， 无附 加热阻， 即层间温度和热流是连续的。 5) 冰层为均质各向同性的， 冰层的融化过程 用温度表示， 大 于 0 1 即融化， 且不考虑融化过程 中的水分蒸发和流失。 模拟和对比试验均采用沥青混凝土车辙试件， 尺寸300 mmX300 mmX50 mm,导电碳纤维束cp2 mm,格栅间距为20 mm。通电加热的主要方式是 将 12束碳纤维接上电源， 具体布置见图12。 图图1碳/玻璃纤维格栅在沥青混凝土 1/2高度 Fig. 1 Carbon/glass fiber geogrid in the asphalt concrete 图图2试件剖面详图 Fig.2 Specimen profile 1 . 2 数学模型1 . 2 数学模型 根据导热微分方程， 二维导热问题不考虑Z 方向的温度变化， 内热源作用下的碳/玻璃纤维格 栅增强沥青混凝土的非稳态导热微分方程为： dt d (、d t d i d t _ pc = A + A + $ d r d x j 3y d y j ( i ) 式中为 温 度 ；T为时间；p为密度；A为导热系 数; 为比热； 0 为单位时间内单位体积中内热源 的生成热。 1.2.1 初始条件 lT = = f (2) 式中A为初始温度。 1.2.2边界条件 1) 考虑试件相当于整个路面的一小部分， 因 此模拟和对比试验时的边界条件是将试件的四周 及底部均做绝热处理， 即试件周围的导热系数设为 0 W/(m K) 2) 板的上表面与空气通过对流传热。根据流 体流动的起因， 对流传热可以分为强迫对流传热与 自然对流传热15_16两大类。前者由于外部动力源 造成的， 后者由于流体局部温差造成的。表 1 为不 第 S: 期宋世德， 秦格栅增强沥青混凝土电热性能数值模拟 15171517 同风速下冰层表面的对流传热系数。 表1不同风.速下冰层表面的对意传热系歡不同风.速下冰层表面的对意传热系歡 Table 1 Convective heat transfer coefficient of ice under differ ent wind speed 风速风速/(m . S-。036 雜 传 热雜 传 热 % % / W (m2 - IQ*1 31218 1 . 3 热荷载的计算1 . 3 热荷载的计算 将电流产生的热能作为热生成体荷载施加到 导电碳纤维束上， 电流/T产 塗 的 热 能 根 据 如T 公式计算： 式中A为碳纤维束电阻;/为电流;r为截面半径 为碳纤维长度。 1 . 4 材料的物理参数1 . 4 材料的物理参数 沥青混凝土导热系数， 根据文献17 推荐导 热系数为.8L2 W/(m K)， 由于沥青混凝土具. 有很大的离散性， 取 为 1 W/(m K)。 表2沥青混凝土的物理参数沥青混凝土的物理参数 Table 2 Physical parameters of asphalt concrete 导热系数/ 材料 ， W . (m K)_1 比热/ J* (kg*K)- 密度/ 1 (kg m3) 沥青混凝土 11 0002 170 表3水的物理参数 Table 3 Physical parameters of water 材料的物理性能数值 熔点汽 固体时的比热/J (kg K) 一1 液体时的比热/J (kg K)-1 单位质量潜热/(J.k g 1) 0 2 100 4 200 3.34x10s 表 4水的相对修值 Table 4 Relative enthalpy of water 温度斤娜娜/(J _ w， ， ， -100 -118.1X106 0355.25X106 10397.25X106 1 . 5 模型建立1 . 5 模型建立 根据基本假设， 本模拟为二维非稳态有内热源 导热问题， 所以选取的热单元Plane55 2 根碳纤 维束均匀布登在沥青混合料中長， 冰层覆盖在沥青 ?昆合料面层上。建 立 的ANSYS基本模型如图3 所示6 图3基本楱型基本楱型 Fig.3 Basic model 图中：图中：A1A12是碳纤维束，是碳纤维束，A13是冰层，是冰层，A14 是沥青混凝土t况为例详述模拟的过程和升温过程中沥青 混凝:t的状态。 ! 况简述： 冰层厚度为1 mm,加热功率为 675.07 W/m2,环境温度为-7.5丈 ， 风速为0 m/s。 根据有限元分析， 图 分 别 初 始 时 刻 ， 3 ， 15和 170 min的温度云图， 图 9 为模拟过程中沥青混凝 ,土上表面中点位霹的温度时程曲线6 图6 30 min后 Fig.6 After 30 minutes 1518 铁 道 科 学 与 工 程 学 报铁 道 科 学 与 工 程 学 报2016年 8 月2016年 8 月 图 7 150 min 后 Fig.7 After 150 minutes -.591045 4.99682 10.5847 16.1726 21.7604 2.20269 7.79076 13.3786 16.9665 图 8 170 min 后 Fig. 8 After 170 minutes 80 100 120 140 160 180 时间/min 图9沥青混凝土上表面温度曲线 Fig.9 Temperature curve of asphalt concrete on the surface 0 1440 2 880 4 320 5 760 7 200 720 2 160 3 600 5 040 6 480 时间时间/s 温度监测点温度监测点 板表面及冰面监测点的板表面及冰面监测点的 的位置的位置温升曲线模拟温升曲线模拟 图1 0赵宏明的化冰数值模拟 Fig. 10 Deicing numerical simulation of Zhao 结合图5 10可以得出如下结论： 1)图 9 中的加热升温曲线清晰显示了化冰过 程中温度升温的3 段曲线。 . 第 1 阶段为冰层的吸 热过程， 由于冰比热容和质量以及电热功率不变， 所以第1 阶 段 几 乎 呈 线 升 ;第 2 阶段为冰层的 相变过程， 由T冰层相变潜热很大所以需要吸收大 量的热量才能融化成水， 因此温度上升缓慢;第3 阶段为水的吸热过程， 為 第 1 阶段吸热过程类似也 呈线性上升， 2) 从图片记录的状态去分析述所说的H阶 段从图片可识着出:, 30 min， 整体冰崖只戦热 弁没有融化， 温度都在 C以下;3 15 min， 冰层 下表面都已经达到丈， 并且冰层的整体温度越来 越接近丈 ， 说明相变从下往上在慢慢进行； 15 170 min， 冰层几乎都已经化成了水， 只有边缘处还 有没有完全融化。 3) 对比图10赵宏明化冰模拟分析， 明显的图 10中时程曲线没有反映冰相变的过程面本文中 的化冰模拟清晰地展现了冰相变的变化过程， 并且 笔者对此做了简要判断。本工况中冰层体积9 x 10_4 m3,冰的相变潜热取为3.34X105 ykg， 并假设 发热量全部由冰相变吸收， 则冰层需要吸收2.7X 1 5 J热量。模拟时的加热功率为675.07 W/m2， 则 在我有考虑其他外界因素的情况下， 冰层的冰相变 时间约为75 min， 本文模拟的相变时间为120 min, 由于模拟过程中考虑了对流传热的影响和沥青混 凝 土 板 的 吸 热 因 此 120 min的相突时间: :是合= 理 的。因此本文给出的模拟方法得到的相变过程是 可靠的。 3试验准备 试验沥實采用辽河90号沥青， 软 化 点 48C， 针人度90。沥青混凝土的油石比为4.7% 。矿料 级配选用AC- 16级配中值， 最大粒径为19 mm， 矿 粉为石灰岩质。 试验采用碳纤维/玻璃纤维格栅， 网格R寸为 2ramx20 ram。格栅用热固型环氧浸渍处理后， 在制作沥青混凝土试件时将格栅放置f 1/2髙度 处， 如 图 11所示。沥青混凝土试件尺寸为300 mm x30丨nmx5 mm， 然后根据 公路工程沥膏及沥青 ? 昆合料试验规程 （JTG E20 2011)按照轮碾法制 作成塑 将试件的四周以及底部用泡沫做隔热处理， 将 碳纤维接上电源， 在沥青混凝土上表面布豐温度传 第 8 期第 8 期 宋世德， 等:格栅增强涯實混凝土电热性能数值模拟 15191519 _ 感器. ， 如 图 12所示。 图图11 格栅的位置格栅的位置 Fig. 11 Carbon/glass fiber geogrid in the asphalt concrete 模 拟 图图13 A组模拟值与试验值对比组模拟值与试验值对比 Fig. 13 Comparison between the numerical value and the experimental value of group A 图图1 2试验装置试验装置 Fig, 12 Experimental facility 调控冰箱温度模拟环境温度、 控制电压改变发 热功率、 改变冰层厚度和加装小风扇控制档位模拟 风速， 以此进行各种1 况的试验。 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 时 间/m in 图图14 B组模拟值与试验值对比组模拟值与试验值对比 Fig. 14 Comparison between the numerical value and the experimental value of group B 4试验模拟对比 为了验证模拟方法的准确性， 分别考虑了环境 温度、 风速、 发热功率和冰层厚度这4 个参量， 如表 5 所示， 并给出了模拟结果与试验结果的对比曲 线 ， 如 图 13 16.所示 表表5 4组工况变童参敫组工况变童参敫 Table 5 Variable parameters of four groups of working condi tions _ 温_ 温功率功率/ (W m-2 ) 冰厚度冰厚度 / mm 风速，风速， (m s1) A-7.5675.0750 B-7.546250 G-7.5675.0770 D-7.5675.0753 the experimental value of group C 1520铁 道 科 学 与 工 程 学 报铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2016年 8 月2016年 8 月 实验 模拟_ _ 6 时间/min 图16 D组模拟值与试验值对比 Fig. 16 Comparison between the numerical value and the experimental value of group D 5结论 1) 从模拟值的趋势和相变时间来看， 模拟的 方法是合理的， 几乎能反映冰层融化的实时状态。 2) 模拟结果准确， 通过调整不同工况的边界 条件就能给出对整个化冰过程的准确模拟。 3) 数值模拟结果与化冰试验结果在第1 和第 2 阶段的吻合度比较高， 但是由于试验过程有热量 的损失和融化水的流失， 导致第3 阶段模拟值会提 前相变结束， 但在实际应用环境中， 实现第1 和第 2 阶段的准确模拟足以。 通过逐一改变环境温度、 功率、 冰层厚度和风 速 4 个变量， 用试验值与模拟值对比可以得出以下 的结论： 1) 从图中的对比结果可知， 在 4 种工况下模 拟与试验的结果比较吻合， 而模拟曲线会提前结束 相变， 这主要是因为实验过程不能保证试件的四周 及底部完全绝热， 试验过程中有热量流失， 即试验 的边界不可能与数值模拟的边界条件完全一致。 2) 对比工况A与工况C， 7 mm冰层厚度工况 下， 在相变阶段试验值比模拟值略大， 与之相比5 mm冰层厚度工况下没有这样显著的差异。这主 要是因为实际工况中冰层下层的融化水流入沥青 混凝土空隙或从四周流走， 因此冰层形成中空， 冰 层越厚这种效果越明显。因此试验测得的温度即 是中空内空气的温度， 比模拟值会略大。 3) 对比工况A与工况D， 在有风速影响时， 前 两阶段的试验值与模拟值比较吻合， 但是有风速时 的第3 阶段模拟值明显大于试验值， 主要是因为冰 层融化后水流失， 导致温度传感器测得温度受风的 影响很大。 4) 综合图13 16,试验值与模拟值的前2 阶段 的吻合度比较高， 并且两者相变初始点的值都十分 接近。在化冰的第2 阶段冰层已经开始慢慢融化， 下部形成中空， 经过路面上车辆的碾压， 冰层破碎 并与加热表面接触， 路面的除冰效果基本实现。因 此在实际的生活和应用中， 能够准确地预测化冰的 第 1 和第2 阶段足够。 参考文献：参考文献： 1 屠 艳 平,管 昌 生 ， 李 元 松 .地 源 热 菜 路 面 融 雪 化 冰 可 靠 性 设 计 及 应 用 分 析J.武 汉 工 程 大 学 学 报 ，2011， 33 (6) ： 61-64. 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