相变控温混凝土机场道面强度与温度场数值分析.pdf

2 0 1 5年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 01 5 No 8 Au g u s t 相变控温混凝土机场道面强度与 温度场数值分析 杜春志 ， 刘兵飞 ， 何 翔宇 ( 中国民航大学机场学院 ， 天津 3 0 0 3 0 0 ) 摘 要 ： 随着国 内民航业的快速发展 ， 机场场道 的除雪化 冰 已成为急需解决的 问题之一 ， 特 别是 北方机场和 高 原机 场。 基 于相 变储 能材料和功能梯度设计 思想 ， 首先将 场道按功 能要 求设计成三层 ， 在此基础上对升温层厚度、 埋 深、 热传导 系数等 因素对场道强度和温度影响 因素进行 了数值 分析。 结果表 明： 埋管深度对结构的强度影响较 小： 埋 管深度对 温度 场影响较 大 ， 埋 深越 深 ， 表 面层 温度越低 ， 不利 于融雪化 冰； 表 面层导 热系数 对融雪化冰影响较大 ， 导 热 系数越 大， 高于 5 9 C 的温度持 续时间越 长， 对融雪化冰非常有利。 关键词 ： 相 变储能材料 ； 强度分析 ； 数值 分析 ； 温度场分析 Ab s t r a c t ： Wi t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f c i v i l a v i a t i o n i n d u s t r y ， s n o w me l t i n g a n d d e i c i n g o f p a v e me n t h a s b e e n o n e o f t h e i s s u e s n e e d e d t o b e r e s o l v e d e s p e c i a l l y i n n o r t h a n d p l a t e a u a i r p o r t s T h e p h a s e c h a n g e a n d e n e r g y s t o r a g e c o n - c r e t e p a v e m e n t h a s b e e n d e s i g n e d a s t h r e e l a y e r s t r u c t u r e l i k e s a n d w i c h b y t h e m e a n s o f t h e p ri n c i p l e of f u n c t i o n a l l y g r a d e d ma t e ri a l s( F G M) ， t h e e f f e c t s o f t h e t h i c k n e s s a n d b u ri e d d e p t h o f h e a t i n g l a y e r a n d t h e h e a t c o n d u c t i v i t y c o e f fi c i e n t o n t h e s t r e n g t h a n d t e mp e r a t u r e o f p a v e me n t h a d b e e n n u me r i c a l a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e e f f e c t s o f b u ri e d d e p t h o f h e a t p i p e l i n e s a r e s ma l l e r o n t h e p a v e me n t s t r e n gth ， t h e b u ri e d d e p t h o f h e a t p i p e l i n e s a f f e c t e d t h e t e mp e r a t u r e o f t h e p a v e me n t g r e a t l y ， t h a t i s t h e t e mp e r a t u r e i s l o we r i n s u r f a c e l a y e r a s t h e b u rie d d e p t h i s d e e p e r ， a n d t h e h e a t c o n d u c t i v i t y c o e f fi c i e n t o f s u r f a c e l a y e r h a s gre a t e f f e c t o n p e rfo r ma n c e o f s n o w me h i n g a n d d e i c i n g o f p a v e me n t ， t h e g r e a t e r t h e h e a t c o n d u c t i v i t y c o e f fi c i e n t ， t h e mo r e t i me o f t e mp e r a t u r e b e y o n d 5 C k e p t ， w h i c h i s v e r y b e n e fi t f o r s n o w me l t i n g a n d d e i c i n g Ke y wo r d s ：P h a s e c h a n g e a n d e n e r gy s t o r a g e ma t e r i a l ； S t r e n gth a n aly s i s ； N u me ric a l a n aly s i s ； T e mp e r a t u r e fi e l d a n a l y s i s 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5) 0 8 1 2 0 4 0前 言 机场道面在极端天气下 的积雪或结冰严重影 响了国民正常 出行 ， 降雪或结冰还造成道面摩擦 系 数降低 ， 对 飞行安全造成极大危害 ， 特别是我 国北 方机场和高原机场更为突出。据中国民航局统计数 字 显 示 ， 2 0 0 7年 1月 2 9 日 1 6时 至 1月 3 0 日 1 6 时 ， 因跑道结冰 、 积雪 ， 贵阳、 永州等 6个机场关闭 ， 造成全国 1 0 0 0多个航班延误 ， 1 5 0个 航班取消 ， 2 0 个航班返航或备 降其他机场 ， 3 0 0 0 0余名旅客行程 受到影响 ， 造成了严重的经济和社会影响。因此 ， 发 展有效除冰雪技术 ， 提升道面融雪化冰能力显得至 基金 项 目：中央 高校 基本科 研业 务 费 中 国 民航大 学专 项 ( 3 1 2 2 0 1 5 C 0 1 8 ) ；中国民航 大学 大学生创新创业训练计 划项 目 ( 2 0 1 51 0 0 5 9 0 2 4) 。 一 1 2一 关 重要 。现 阶段 我 国普 遍采 用 的除冰雪 方法 1 - 2 主要 有 ： 人工清除法( 人工机械 、 人工撒盐等) 、 化学融化 法 ( 融雪剂、 降低冰点的路面材料等) 以及热力融化 法 ( 加热 电缆法 、 高温燃气吹扫法 、 地热融雪法及导 电混凝 土电热除冰法等 3 - 6 ) 。前两者需 要花费大量 的人力 、 物力 ， 且 有很多 负 面效应 。热力 融化 法是 一 种主 动 预 防和清 除 道路 积雪 结 冰 的方 法 。 但 其 除 冰 能耗大， 不符合节能、 环保的要求 。 因此 ， 研究新 型、 高效 、 节能环保 的融雪化冰方 法受到人们的关注 。近年来 ， 相变储能材料逐步被 用到建筑保温和道面除冰系统 中， 具有节能 、 环保 等优点， 成为人们研究的热点4 - 。本文基于相变储 能材料设计 了新型 的自融雪道面结构 通过数值分 析方法研究其强度 和温度场规律 。 为大规模实际工 程 推广 应用奠 定理 论及 实践 基础 。 杜春志 ， 刘兵飞 ， 何翔宇 相变控温混凝土机场道面强度与温度场数值分析 1 O 9 8 7 京 6 赠5 4 3 2 1 l 2 l 0 。 赠6 4 2 O 2 0 o 4 oo 6 0 o 8 o o 1 O o o 1 2 0 o l 4 0o 时间 s ( a ) A = 2 0 O 2 o o 4O O 6 oo 8 0 o 1 O o o 1 2 o o 1 4 o o 时间， s ( b) A = 7 0 o 2 D O 4 0 o 6 U U 8 u U l O 【 ) 0 l 2 U U l 删 时间 s ( c ) A = 1 2 0 图 6 面层传热 系数 影响下观测点 温度一 时间变化 图 升高 ， 这说明相变材料释放的热能最 大程度地传 递 到 了表面层 ， 并且 能保持较长时间 ， 从 而更好地 融 雪化冰。另外 ， 最近点和最远点 曲线之间的差距 变 小 ， 趋于重合 ， 说 明系统的总体温度趋于均衡 ， 这有 利于系统对外释放热量用来融雪化冰 ， 增加系统 的 放热效率。因此 ， 材料的传热系数越大 ， 融雪化冰效 果越好 。实际工程中， 可 以在表 面层 中适当添加导 热率更高的金属材料 以提高表面层 的传热系数 ， 从 而提高系统效率。 5结 论 机场道面 的融雪 除冰已经 成为制约机场冬季 正常运行 的主要因素之一 。本文基于相变储能材料 和功能梯度设计思想 利用数值分析方法研究 了升 温层埋深 、 面层传热系数等因素对结构 的强度和温 度场影响规律。结果表明： 埋管深度对结构的强 度影响较小 ； 埋 管深度对温度场影响较大 ， 埋深 越深， 表面层温度越低， 不利于融雪化冰； 表面层 导热系数对融雪化冰影响较大 ，导热系数越大 。 温 度越高 ， 高于 5 的温度持续时间也越长 ， 有利于融 雪化 冰。基于以上分析 ， 建议在实际施工 中表面层 添加导热系数较大的钢纤维或碳纤维 。 提高融雪化 冰效 率 。 参考文献 ： 【 1 】 刘 凯， 王选 仓， 王芳 中外 高速公路融雪 化冰技术 和方法 【 J 交通企业 管理， 2 o o 9 ( 8 ) ： 7 2 7 3 【 2 】 S n o w a n d I c e C o m l O p e r a t i o n Ma n u a l Z 】 T e x a s D e p a r t me n t o f T r a n s p o r t a t i o n ， S e p t e mb e r 2 0 0 5 ： 1 - 1 0 2 【 3 】 刘凯 融雪化冰水泥混凝土路面研究 D 西安： 长安大学， 2 01 0 4 】 李炎锋， 武海 琴， 王 贯 明， 等 发热 电缆 用于路 面融 雪化 冰 的实验研究 J 北京工业大学学报， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 1 7 2 2 2 【 5 】 马世宁， 刘晓军， 张元龙 碳 纤维导 电混凝土道 面机 场除 冰雪的应用研究 J 】 路基工程， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 1 8 2 1 8 4 ， 1 8 8 6 6 李洪磊， 顾强康， 岑国平自发热技术 在机场道 面融雪化 冰中的应用研究J 路面基础， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 7 7 - 8 0 7 】 F a r i d M M ， K h u d h a i r A M ， R a z a e k S A ， e t a 1 A R e v i e w o n P h a s e C h a n g e E n e r g y S t o r a g e ： Ma t e r i a l s a n d A p p l i c a t i o n s J E n e r g y C o n v e i b n a n d Ma n a g e me n t ， 2 0 0 4 ， 4 5 ： 1 5 9 7 1 6 1 5 【 8 】 史巍， 张雄， J u e r g e n D r e y e r 相变储 能大体 积混凝 土 的控 温性 能 J 】 同济大学学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ：5 6 4 5 6 8 9 】 傅浩， 欧 阳东 ， 宁博 ， 等 相 变储 能建筑 材料 的最新 研究 进 展 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 5 5 5 8 【 1 O 】 高英力 ， 胡柏学， 贺敬， 等 相变控 温水泥混凝 土路面板 设计及模 型试验【 J 中 国公路学报， 2 0 1 1 ， 2 4 ( 2 ) ： 1 2 1 6 1 1 】 陈爱英， 汪学英， 曹学增 相变储能材料的研究进展与应 J 材料导报， 2 0 0 3 ， 1 7 ( 5 ) ： 4 2 4 7 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 5 1 8 作者简介 ： 杜 春志 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 博士 、 讲 师。 通讯地址 ： 天津市东丽 区津北公路 2 8 9 8号 联 系 电 话 ： 0 2 2 2 4 0 6 2 4 7 7 E -ma i l ： c h u n z h i _d u1 6 3： c o m 一 1 5 9 8 7 6 5 4 3 2 l 、 赠