基于CFD仿真方法的大桥锚室除湿方案研究.pdf

工业安全与环保54Industrial Safety and Environmental Protection2023年第49 卷第8 期August 2023基于CFD仿真方法的大桥锚室除湿方案研究眭文昊程向东石建中丨张啸晨胡颖健李鹏（1.武汉纺织大学，湖北武汉430 2 0 0；2.中交公路规划设计院有限公司，北京1 0 0 0 8 8；3.镇江蓝舶科技股份有限公司，江苏镇江2 1 2 0 1 6)摘要锚室是悬索桥的重要构成部分，常位于地下或半地下空间，进入锚室内部的雨水与地下水蒸发到空气中，若锚室除湿风系统布置不善，将使局部空气相对湿度大于40%，加大锚室内部裸露主缆钢丝的锈蚀程度，直接缩短整座大桥的使用寿命。探究了锚室除湿风系统送风口送风角度的改变与锚室内部空气速度场及绝对湿度的关系。首先根据流场运动控制与输运方程描述了锚室内部空间空气与水蒸汽的运动与分布规律，分析了在风量不变的情况下锚室内部的流速场、绝对湿度场，通过不同送风角度的比对分析原方案的情况，对不足之处加以改进。其次，在获得最佳送风角度且不改变总风量的情况下，通过改变顶部与底部送风的风量分配，探究风量分配对锚室绝对湿度的影响。研究表明，当采用顶部与底部送风结合的方式，顶部送风方向与缆束轴线方向平行且顶部送风风量为6 0 0 m/h，底部送风风量为1 8 0 0 m/h时除湿效果佳。关键词悬索桥除湿锚室防腐湿量估算数值仿真对比分析Research on dehumidification scheme of anchorage in bridge with CFD methodSUI Wenhao CHENG Xiangdong SHI Jianzhong ZHANG Xiaochen HU Yingjian LI Peng(1.Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430200,China)Abstract The anchorage is an important part of the suspension bridge and is often located in an underground or semi-underground space.The rainwater and groundwater entering the anchorage will evaporate into the air.The corrosiondegree of the exposed main cable wires inside the large anchorage directly shortens the service life of the entire bridge.This paper explores the relationship between the air supply angle of the air supply port of the dehumidification air sys-tem in the anchorage and air velocity field and absolute humidity inside the anchorage.Firstly,the movement and dis-tribution laws of air and water vapor in the anchorage are described according to the flow field motion control andtransport equation.The flow velocity field and absolute humidity field inside the anchorage are analyzed by comparingand analyzing the situation of the original plan through the comparison of different air supply angles,and the deficien-cies are improved.Secondly,under the condition of obtaining the optimal air supply angle without changing the totalair flow rate,the influence of air flow rate distribution on the absolute humidity of the anchorage is explored by chan-ging the air flow rate distribution of the top and bottom parts.The research shows that when the combination of topand bottom air supply is adopted,the top air supply direction is parallel to the cable bundle axis direction,the top airsupply flow rate is 600 m/h,and the bottom air supply flow rate is 1 800 m/h,the dehumidification effect is better.Key words suspension bridge dehumidification anchorage anticorrosion moisture estimation numerical simu-lationcomparativeanalysis0引言桥梁作为我国重要的基础设施，在国家经济发展中发挥着至关重要的作用。作为悬索桥主缆的钢材，在相对潮湿的空气中极易腐蚀。钢结构的大气腐蚀主要是由空气中的水和氧气等的化学和电化学作用引起的,是一种常见的腐蚀现象 。朱能等 的研究表明，在相对湿度大于6 0%时钢材腐蚀加剧，严重影响悬索桥的安全与健康，因而悬索桥的防腐技术不可或缺。除湿系统是延长钢结构桥梁使用寿命的重要措施之一 3,目前桥梁钢材防腐的主要措施分为被动防腐和主动防腐系统2 种。丹麦在1 9 8 0 年最先采用了转轮除湿设备对大桥钢结构进行干燥除湿防腐保护 4。其原理是通过除湿机将空气干燥后输送至需要除湿的部位，由干空气带走钢材附近的水分从而保证钢材不再遭受腐蚀或延缓钢材腐蚀。锚室内部空间大，主缆钢丝在锚室中分开固定在后部锚锭墙上。因锚室常常接触潮湿土壤或暴露于空气中，雨水的渗入使得锚室内部湿度增加，所以55.内部温、湿度控制要求也高5 。有效降低锚室内的湿分析原设计方案的气流速度场以及不同湿源条件下度，保证缆束的干燥，对大桥的建筑健康有着重要意缆束附近的绝对湿量情况，对于原设计存在的问题义。进行改进，同时探讨定风量除湿系统的风量分配对CFD技术是一种速度快且资料完备的研究技缆束附近绝对湿度的影响情况。术，不仅可以预测流体流动性质，还能够实现整体传2计算流体力学控制方程热、传质、相变等功能。本文通过CFD仿真方法，1）流体力学控制方程组：着重研究送风角度与锚室内部空气速度场的均匀程质量守恒方程：度及湿度的关系，探究较优的送风方式。ap a(pu)+a(pv)+a(pw)1研究目的与现状otx式中,p为流体密度,kg/m;t为时间,s;u、V、w 为流体目前国内外对于锚室内部热湿环境的理论与实在x、y、z 方向上的速度分量,m/s。验研究较少，对于锚室内部空气参数、送风系统设计动量守恒方程：的关键参数取值的研究还不够透彻。在实际环境中，(pu)a(puu)+(puv)_(puw)锚室墙壁存在裂缝、毛细微孔，在内外蒸汽渗透压差at及积水渗流势能的作用下，外部水分和水蒸气会有aP渗入锚室并进入空气。渗水将会对锚固系统耐久性十axax产生较大影响7。参考国内外同类型桥梁建设的经a(pv)a(pvu)a(pvv)a(pvw)验，一般设定内部空气的相对湿度为4 0%8 1,即2 0 ot情况下绝对湿度低于0.0 6 8 kg/m。由于锚室内部空apatatyy+间较大，湿源位置难以事先预测，锚室主动除湿风系axax统的送风口与回风口布置又具有局限性，若仅仅将a(pw)a(pwu)十a(pwv)a(pww)干空气引入锚室，不考虑内部空气的流动情况，会使at锚室局部区域湿度偏大，不利于锚室建筑健康。aPXz+中交集团对横跨湖北黄石和黄冈的棋盘洲长江axax大桥实时监测了锚室内部的含湿量情况9-2 。该桥式中,p为流体密度，kg/m；P为作用在流体上的静为钢结构悬索桥，锚室安装了主动防腐系统。除湿压,Pa;t为作用在微元体表面黏性力的分量,N;F为系统运行数据表明，含湿量总体呈下降趋势，但不同作用在微元上的附加力源项，N，本文取质量力。的晴雨天气会导致数据的波动，说明主动除湿系统组分守恒方程：可有效降低锚室湿度，引起锚室内部湿度波动变化a(pucw)+a(pvcw)+a(pwcw)原因可能是由于其外部雨水渗入到不同的部位而产ax生不同的湿源。D.a(pcw张皋长江大桥地处长三角城市群的中心，位于ax重点规划的锡常泰、（沪）苏通都市圈和沿江经济发D,a(pcw)W展带的结合处，位于江阴大桥下游约2 8 km、苏通大zOz式中,u、Vw 为流体在xJz方向上的速度分量,m/s;桥上游约5 7 km处。主跨2 3 0 0 m，大桥分为南北2p为流体密度，kg/m；c w 为水蒸气的浓度，kg/kg;D为个锚室，每个锚室由前锚室、后锚室及锚室通道组成。水蒸气的扩散系数,m/s。前锚室是夹在散索鞍支墩与锚块间的一个独立空间2)k-s两方程模型：结构，前锚室由底板、侧墙、顶板、前墙及锚墙构成a(pku,)封闭空间，起到保护主缆索股、锚固系统、散索鞍的Ox;作用13 。南锚室与北锚室建筑构造类似，主缆从锚a(psu,)室前墙上部进入锚室，以近似六角锥形状散开并连ax,至锚上。目前，张皋长江大桥南锚室的除湿系统的送风口以及回风口的数量、大小、风量、位置已基本确定，可改变的唯有送风角度。因此，为了指导送风系统的设计、优化送风系统的气流组织效果，本研究首先=0axay十十ayOzaxoyotZyoyaxyzyzayD.o(pc.axayox;axC2epe)式中,p为流体的密度,kg/m;xivx,为直角坐标系的分量;k为流脉动动能,J;为流体分子粘度系数,PaS;ui为流粘性系数Pas;G为由于时均速度梯度产(1)(2)+FXoyZZ+Foyak+（Ox;daXk1(3)(4)(5)(6)C,Gk-(7)56.生的k的增量,J;为瑞流耗散率；为对x的普朗特数，本文取ok=1.0；Ci e、Cz 为常系数，本文取Cl。=1.4 4和C2=1.92;0为对的普朗特数，本文取o=1.3。3流场模型3.1流场模型建立本分析只对南锚室建立模型并进行分析，缆束由圆柱代替，本模型忽略外部传热，内部照明、管线、除湿设备等物体均不考虑大小。根据相关文献14 ，最恶劣情况下锚室每天积水为Wjs=0.065m/d，设锚室已经处于湿平衡状态且相对湿度已经等于4 0%，根据桥梁养护经验锚室内部温度通常在2 2 左右15 1,本文锚室温度设定为2 0。要在2 4 0 h内除去该水分，则需要的除湿送风量Gjs可通过式（8）计算：G240(D.-D)式中,Gjs为锚室除湿最小送风量，m/h;Wjs为每日积水量，m/d;D.为室外含湿量，g/kg，本文取14.9 g/kg；D,为锚室设计含湿量，g/kg,本文取7.6 3 g/kg。计算得Gjs为12 9 3 m/h,取安全系数1.2 并取整后得G，为15 0 0/h。根据前人的工程经验1，锚室总送风量选为2 4 0 0 m/h，其中散索鞍附近送风量为6 0 0 m/h，锚墙附近送风量18 0 0 m/h。3.2湿源蒸发量确定实际情况下锚室上顶部和下底部可能存在渗水和积水情况，同时渗水、积水位置不可预测，本模型将锚锭墙下部或锚室斜顶面或锚室顶面看作不断散湿的面，分别在这些湿源位置下使用相同强度湿源对锚室进行模拟分析。对于水蒸发量E计算公式如下17 18 ：E=3.6AK(Pw-P,)式中,E为蒸发量，kg/h；A 为湿源表面积，m;P为对应水表面温度下的饱和空气的水蒸气分压力，kPa，本文取3.16 7 kPa;P,为锚室内部空气温度对应的水蒸气分压力，kPa，本文取1.2 6 7 kPa;K为修正系数，本文取 0.0 2。3.3原方案风口布置实际工程中送风口分别在锚室前部缆束上方设置2 个2 0 0 mm200mm风口垂直向下（0），送风风量均为3 0 0 m%；在锚室后部缆束下部设置4 个尺寸为12 0 mm120mm风口，垂直于斜底面送风，风量均为4 5 0 m/h；排风口在锚室前部缆束下方设置1个,尺寸为4 0 0 mmx400 mm。模型说明如下：1）锚室保持正压，空气从锚室壁面孔隙渗入的情况不予考虑。2）锚室常位于半地下空间，外界热量传递需经过空气、土壤层和锚室墙壁，热阻较大，可将锚室视为稳定传热空间，本研究假定锚室温度为2 0。3）锚室内部照明、楼梯、扶手等附属设施均不考虑，除湿设备由风管风口代替。4)本文仿真模型风口布置、湿源位置、顶部控制线H、中部控制线M、底部控制线L及纵剖面P示意如图1所示，不同湿源位置及控制线下的绝对湿度散点见图2。湿源1顶部控制线H咖湿源2一中部控制线M湿源3一下部控制线L纵剖面P10 xW/s(8)(9)顶部送风口底部送风口10.005.00图1价仿真模型示意11.5+湿源1H*湿源1M湿源1L湿源2 H*湿源2 M中湿源2 L湿源3 H+湿源3 M湿源3 L(,u.8X,-01x)/吾酬号X明11.010.510.0鑫9.59.08.50控制线采样点编号（由散索鞍至锚定墙）图2 不同湿源位置及控制线下的绝对湿度散点4石研究结果与分析4.1原始方案分析由图2 可知，在3 种不同湿源独立影响下，缆束控制区域湿度存在差异。在湿源2 影响下，缆束顶部靠近锚锭区域绝对湿度相较缆束其余部分湿度平均值高出12%；缆束下部靠近锚锭区域（即底部送风口附近），在不同湿源影响下绝对湿度低于缆束其余部分均值2.5%8.8%，湿度控制效果明显。4.2方案改进改进原则：以绝对湿度分布较差的湿源2 作为研究的主要对象；保留除湿效果好的底部送风方式，改变顶部送风的角度；不改变设计要求的风排风口20.00(m)15001510*口4488一152057口数量及风量；最后探讨风量配比对湿度控制的从图3(d)、（e）、（f)可以看出改变送风角度后缆影响。改进方案结果如图3 所示。束内部绝对湿度在1.16 x103kg/m。当送风角度为图3（a）、（b）、（c)分别为送风角度3 0、6 0 和7 0 30时，图3(d)圈内部的绝对湿度明显大于缆束其他的锚室中心纵剖面P速度分布，可以发现经过改变位置；图3(e)圈中位置同样有部分区域湿度略大，但送风角度，锚室纵剖面风速对比原方案分别提高了相比图3(b)情况稍好；图3(f)圈中高湿度区域最小，13.28%、5 2.0 4%、4 8.3 9%，说明改变送风角度有助于湿度控制较好。提高干空气流动效果，利于提高除湿效率。ANSYS1.3360-018.900-02ANSYS1.3420-018.940-02Volc101.812-011.350-010.062e-02ANSYSm0（a）顶部送风角度3 0 速度分布moist1.705-031.613e-031.5220-031.430-031.33090526f-0356e-03（b）顶部送风角度6 0 速度分布ANSYSANSYS1.450e-031.3850-0313218-03256-83151e-03270-03（c）顶部送风角度7 0 速度分布ANSYSmoist1.4600-001.400e-031.340-031.280e-032209Pgma-a（d）顶部送风角度3 0 湿度可见，调整出风角度可以改善缆束内部气流流速，但在角度较小的情况下锚室靠近锚锭墙附近顶部的湿度会有所增高，不利于缆束周围湿度的控制。70送风角送风时，送风方向与缆束中轴方向平行，送风抑制了湿空气侵入缆束的问题，是较为高效的送风方案。上述模拟仅研究送风角度对于锚室内部湿度的影响，现选取湿源2，送风角度7 0 研究送风风量对锚室内部湿度的影响。风量分配方案如表1所示。表1风量分配方案顶部送风分量/底部送风分量/方案名称(m:h)原方案600方案一300方案二1800方案三1 200取中部控制线M,获取控制线M上含湿量分布，结果如图4 所示。对比各方案的湿度分布情况可知，当送风风量减小5 0%时，锚室内部含湿量与原方案相比增加一个数量级；当互换底部、顶部送风风量时（e）顶部送风角度6 0 湿度图3 不同角度下的速度分布与湿度云图缆束中后部含湿量明显提高；当送风风量提高10 0%时，含湿量与原方案几乎没有差异。14.0+方案1方案3方案2+原方案(,u.3),0 x)/吾r,x明13.513.012.512.011.511.010.510.09.5(m.h:l)9.0L03.757.511.251518.7522.526.25301800距散索鞍距离/m900图4 绝对湿度曲线6005总结与展望3 600通过南锚室的仿真计算与分析，以锚室中空气流速和空气绝对湿度作为考量送气气流组织方式的标准，发现设计的送风方式较符合设计需求。同时在仿真计算和研究过程中总结以下几点：1)湿源位置的不同会影响锚室内部绝对湿度分（f）顶部送风角度7 0 湿度58.布。2)改变送风角度有助于提高缆束内部气流流速，当湿源2 位于锚室顶部时，散索鞍处的顶部风口送风角度为7 0 时，对缆束内部的湿度控制好，且湿空气不易进入其内部，是最为理想的送风方案。3）合适的送风风量影响锚室内部湿度分布，过小的风量影响锚室除湿效果，过大风量对锚室除湿效果的提升不大。4）锚室内部湿度传感器的布置需结合送风方式进行综合考虑。本研究仅为初探，在后续研究中需对以下几点做深入讨论：1）本研究为模拟实验数据，实测数据正在采集之中，模拟数据与实测数据的对比是今后继续研究修正模拟模型的关键。2）研究可加入传热模型，研究不同季节工况下的锚室内部情况，使锚室内部除湿系统的设计及运行更加经济高效。3)对于送风角度送风位置的研究可进行量化研究，研究不同情况下锚室除湿的最优方案。参考文献1杨德钧.金属腐蚀学M.北京：冶金工业出版社，19 9 9.2朱能，田喆，刘斌.跨海大桥除湿系统研究J.天津大学学报,2 0 0 4,3 7(8)：7 2 8-7 3 2.3万田保，陈巍，沈锐利，等基于主缆内部输气的大跨度悬索桥除湿系统总体设计J.桥梁建设，2 0 2 0,5 0（S2)：55-61.4王蓓.卢浦大桥钢结构桥梁除湿技术浅谈J.城市道桥与防洪,2 0 10(6):12 0-12 1.5吴正峰，郑舟军.某沿海悬索桥温、湿度监测数据分析J.交通科技，2 0 2 0(4)：4 8-5 1.6操瑞兵，岑健，肖蕾，等.一种新型房间空调器室内温度分布的CFD研究J.流体机械，2 0 19,4 7(10)：7 1-7 4.7邱远喜，肖海珠，刘俊锋.西埃门公铁两用大桥主桥嵌岩重力锚设计及受力分析J.桥梁建设，2 0 2 0，5 0（S2)：9-15.8朱能,田喆,刘斌.悬索桥内部空气参数的确定C全国暖通空调制冷2 0 0 0 年学术年会论文集.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 0:2 5 3-2 5 6.9王志诚，梁振有，闫永伦，等棋盘洲长江公路大桥南锚地下连续墙设计J.桥梁建设，2 0 18，4 8（2）：8 9-9 3.10张晖.重力嵌岩式锚锭深基坑开挖施工技术J.世界桥梁,2 0 2 0,4 8(3):2 7-3 1.11张晖.BIM技术在棋盘洲长江公路大桥北锚施工中的应用.世界桥梁，2 0 2 1,4 9（1)：8 9-9 4.12王志诚.棋盘洲长江公路大桥主桥约束体系研究J.中外公路,2 0 18,3 8(1):17 6-17 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