混凝土骨料预冷热力学仿真分析.pdf

水利水电技术第 4 5卷2 0 1 4年第1期 混凝土骨料预冷热力学仿真分析 叶 志强，焦生杰 ，叶敏 ( 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安7 1 0 0 6 4 ) 摘要：利用 A N S Y S软件 ，对混凝土骨料颗粒预冷传热问题进行 了三维数值仿真分析。模拟 了不同 进 出风 口位置和进 出风 管直径下骨料仓 内的温度分布 ，分析 了不 同因素对骨料颗粒冷却效果 的影响， 提出了合理的冷却仓结构设计参数，可为混凝土预冷系统的高效节能提供参考。 关键词 ：混凝 土预冷 ；共轭传热 ；混凝土骨料 ；温度场仿真 中图分类号：T V 4 3 1 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 8 4 0 6 ANS YS b a s e d t h e r mo d y n a mi c s i mu l a t i o n o n c o n c r e t e a g g r e g a t e p r e c o o l i n g Y E Z h i q i a n g ，J I A O S h e n g j i e ，Y E Mi n ( K e y L a b o r a t o r y f o r H i g h w a y C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y a n d E q u i p m e n t o f M i n i s t ry o f E d u c a t i o n ，C h a n g a n U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 6 4 ，S h a a n x i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n AN S YS ， a 3 - D n u me ri c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s i s ma d e o n t h e h e a t t r a n s f e r d u rin g p r e c o o l i n g c o n c r e t e a g g r e g a t e s T h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s i n t h e a g g r e g a t e b i n u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f d i f f e r e n t p o s i t i o n s o f a i r i n l e t a n d o u t l e t a n d v a il O U S d i a me t e r s o f a i r i n l e t a n d o u t l e t p i p e s a r e s i mu l a t e d，a n d t h e n t h e i mp a c t s f r o m v a 6 o u s f a c t o rs o n t h e c o o l i n g e f f e c t o f t h e a g gre g a t e s a r e a n a l y s e d， f u r t h e r mo r e ， t h e r e a s o n a b l e p a r a me t e r s f o r t h e s t r u c t u r a l d e s i g n o f t h e a g g r e g a t e b i n i s p u t f o r w a r d a s we l l ；w h i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r h i g h e ffic i e n c y a n d e n e r gy s a v i n g o f t h e p r e c o o l i n g s y s t e m o f c o n c r e t e Ke y wo r d s c o n c r e t e p r e c o o l i n g ； c o n j u g a t e h e a t t r a n s f e r ；c o n c r e t e a g gre g a t e ； t e m p e r a t u r e fi e l d s i m u l a t i o n 1 引言 混凝土水化热极易导致大 坝产 生裂缝 ，削弱大 坝结构的稳定性 j 。在夏季 ，混凝土 大坝浇筑过程 中一般都要 采取 预 冷 的方 法控 制混 凝 土 的入仓 温 度 。以三峡二期工程为例 ，安装制冷设备 ，用来制 冷 1 7 2 0 m h的混凝 土 但利用 率仅为 3 6 左 右 ， 混凝土冷却具有很大的节能降耗余地。我国水力资 源丰富 ，混凝土大坝以及 混凝土预冷技术研究在 国 际上处于领先地位 I 3 J 。张俊等 介 绍了水利水 电 工程混凝土预冷技术 的特点 、发展及在 国内工程 的 应用，其中重点介绍了在水利水电工程中最广泛采 用的混凝土二次风冷骨料技术 。龙慧文等 提 出了 两次风冷骨料新技术 ，介绍 了该技术 以及在三峡工 程中的应用情况 ，并将该技术与 国内外 目前采用 的 混凝土预冷技术作 了技术经济 比较 。翁定伯 对混 凝土二次风冷定 义了冷耗 、能耗指标 、分析 比较不 同混凝土预冷方法的冷耗指标和节能措施 。 目前混凝土预冷方面的研究均为施工过程 中工艺 方面的节能技术 ，且大多为定性分析 卜 ，对混凝土 冷却仓内的温度场研究基本处于空 白。由于冷却仓体 积庞大 ，且各水 电站大坝建设过程中所使用冷却仓和 骨料级配不尽相同，通过实体模型进行冷却仓热力学 分析难度极大，且成本较高。本文建立冷却仓和混凝 土骨料的三维仿真模型 ，基于流固耦合共轭传热机理 及计算机仿真技术 ，对冷却仓温度场分布进行 了分 析 ，研究 了不同进风口和出风 口距离以及直径对骨料 冷却效果 的影响 ，为冷却仓的结构设计和预冷技术 的 优化提供参考。 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 7 0 2 基金 项 目：教 育 部 博 士 点 基 金 ( 2 0 1 1 0 2 0 5 1 1 0 0 0 2) ；中 央 高校 基 金 ( C H D 2 0 1 1 Z D 0 1 6 ) 。 作者简介 ：叶志强( 1 9 7 2 一 ) ，男 ，工程师 。 Wa t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g i n e e r in g V o L 4 5 No 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 混凝土预冷热力学计算 2 1 混凝土热平衡原理 以某水 电站混凝土大坝为例进行风冷骨料冷却仓 的热力学分析 ，大坝使用三级配混凝土 ，各级配骨料 的参数如表 1 所列 。混凝 土大坝在夏季施工过程 中， 预冷系统必须满足拌和系统的生产能力。拌和系统的 小时生产能力根据混凝土浇筑高峰月强度 、每月工作 天数 、每天工作小时数 ，并考虑一定的生产不均匀系 数等因素 ，由下式确定。 q h _ K h Q , ( 1 ) 式 中，Q 为小 时生产 能力 ；K h 为小 时不均匀系数 ， 一 般取为 1 31 5 ；Q 为混凝 土高峰浇筑强度 ；m 为每月工作天数 ；凡为每天工作小时数 。 设某水电站工程混凝土浇筑 高峰月强度为 6 5 7 万 m ，每月按 2 5 d工作 ，每天三班制工作 2 0 h ，考 虑生产不均匀系数取 1 5 ，则按式( 1 ) 得到拌和系统 小时生产 能力 为 1 9 7 5 m h 。新 拌和混凝土 的计 算 温度为各组成骨料的加权平均温度 ，可按下式计算 。 式 中 ，G 为 i 级 骨料 的含 量 ；t 为 i 级骨料 的温度 ； c 为 i 级骨料 的比热容 ；F为掺合料的含量 ；t 。 为掺 合料的温度；c 为掺合料的比热容；w为单位混凝 土的实 际加 水 量 ；t 为水 的温度 ；c 为水 的 比热 容 。 叶志强， 等混凝土骨料预冷热力学仿真分析 以炎热 的 7月份 自然温度 为例 ，骨料 颗粒温度 取 2 7，式( 2 ) 中各参数取值如表 1 所列，计算可 得混凝 土 自然拌 和温度 为 2 3 ，无 法满 足混凝 土 大坝浇筑要求，必须对其进行预冷。根据当地气候 条件 和混凝 土级 配表 ，若对 混凝土 骨料进 行冷却 ， 保证大石 、中石 和小 石 的骨 料 终温 为 2 ，预 冷 三级配混凝 土出机 口温度 为 1 2 ，满 足预冷 混凝 土出机 口温度控制要求。 表 1 混凝土热平衡计算结果 用量 比热容 综合 系数 温度 热量 项 目 k gm一 k J( k g ) k Jm一 k Jm一 大石 5 7 7 O 9 2 5 3 0 8 4 2 l 0 6 2 中石 3 6 1 O 9 2 3 3 2 1 2 2 6 6 4 小石 5 0 5 0 9 2 4 6 4 6 2 9 2 9 粉煤灰 4 3 0 8 4 3 6 1 2 4 5 1 6 2 5 细沙 6 3 5 0 9 2 5 8 4 2 2 7 1 5 7 7 3 水泥 1 7 2 0 8 4 1 4 4 4 8 4 5 6 5 0 2 水 1 0 6 4 1 9 4 4 4 1 4 3 1 3 3 2 计算温度 _ _ 1 2 2 2 混凝土骨料预冷系统 混凝土 预冷系统主要 由粗骨料一 、二 次风冷系 统 、冷水生产供应系统以及相配套的氨制冷系统等组 成 J 。粗骨料 的一 、二 次风冷分别在地 面预冷调节 料仓和拌和楼料仓中进行 ，冷却方式均为连续分层冷 却。粗骨料由地面预冷调节料仓( 拌和楼料仓) 内预 设的配风 、回风窗和料仓外侧的送 、回风管道以及高 效空气冷却器、离心式风机( 轴流风机) 形成的冷风闭 式循环系统进行冷却 ，冷风 自料仓下部送人 ，上部回 水利水电技术第 4 5卷2 0 1 4年第 1期 图 1 混凝土 预冷 系统工艺流程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 叶志强， 等混凝土骨料预冷热力学仿真分析 风与骨料 自上而下 的流动方 向相反 ，保证粗骨料冷 却效果 。混凝土预冷系统工艺流程如 图 1所 示。预 冷调节料仓是 为满足夏季混凝土生产粗骨料一次风 冷而设的，钢筋混凝土结构 ，共设 3个单仓，分别 为大石 、中石和小石三个粗骨料仓 。预冷调节 料仓 的每个骨料单 仓 沿垂 直 方 向分 为三 个 区 ，即骨料 预冷 区、冷 却 区和 出料 区。以骨料 风 冷 区 的总储 量满足预冷 生产 需要 为 依据 ，按 三个 区等 量分 布 原则确定预冷 调节 料 仓粗 骨料 单 仓容 积 和平 均冷 却时间 。 预冷骨料仓的容积可通过下式进行计算 ， 1 5 G p Q 后 T ， 1 、 一 式中，I ， 为预冷调节料仓粗骨料单仓容积 ；G 为第 i 种粗骨料质量 ；P 为第 i 种粗骨料密度 ；Q 为预冷 混凝土设计小时产生强度 ；k为风冷粗骨料单仓分受 料 、冷却 、储 料三个 区，取 k：3 ；h为混凝 土级配 数 ，针对三级配混凝土 ，h=3 ； 为风冷粗骨料仓充 满系数 ， = 0 7 5 0 9 0，取 = 0 8 5 。 由计算结果 ，设计 出风冷骨料冷却仓结构尺寸如 图 2所示 ，括号内为沿 X Z剖面图的顶点坐标 。上端 圆柱体为预冷区和冷却区，以 轴为分界面。下端 圆锥体为出料 区。 图2 预冷骨料仓结构( 单位：n 1 ) 粗骨料平均冷却时间可由下式计算，经计算，连 续生产三级配混凝土时粗骨料一次风冷的平均冷却时 间为 1 7 8 h ；同样连续生产三级配混凝土时粗骨料二 次风冷的平均冷却时间为 1 9 8 h 。 7 - ： ( 4 ) 7 - ：-= = 斗 C v Q h 式 中， 为粗骨料平均冷却时间。 3 风冷骨料模型 3 1 骨料投放模型 采用 Ma t l a b软件建立骨料颗粒的随机投放模型 ， 生成骨料在骨料仓 内的随机分布空间坐标 ，满足不同 骨料的重量比例， 进行骨料颗粒冷却的热力学有限元 分析。根据三级配混凝土骨料 的所 占比重 ，进行颗粒 数分配 ，确定大石、中石和小石的颗粒数 ( i =2 ， 3 ，4 ) ，根据骨料仓 的结构 限定出骨料颗粒的空间坐 标极 限。骨料投放边界按料仓结构分为预冷 区、冷却 区和出料区三个部分 ，其中预冷区和冷却区边界均为 圆柱体 ，统一成一个圆柱面空间坐标方程 ，出料 区为 一 个 圆锥体锥 面方程 。首先利 用 M a t l a b随机 函数生 成骨料颗粒的空间坐标点 ，判断点坐标是否满足在骨 料仓 内( 满足空间坐标要求) ，然后判 断新生成骨 料 是否与原有骨料颗粒产生冲突( 两骨料中心点距离是 否大于两骨料粒径之和) ，若不产生冲突 ，则继续生 成下一骨料颗粒 ，直至满足骨料颗粒总数要求 ，程序 流程如 图 3 所示。 模型分成两部分， 冷却仓上部的圆柱体 ( 预冷区和冷却区) 和下部的圆锥体 ( 出 料区) ， 分别产生骨料颗粒 ， 之后合成一 个数组， 为骨料颗粒的空间坐标数组。 图 3骨料投放程序流程 由于 Ma t l a b生成骨料颗粒空间坐标集无法直接 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 1期 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m