电阻网用于路面融雪化冰系统温度场数值模拟的研究

摘要

众所周知，在寒冷的冬季，下雪后极易出现积雪结冰的现象。这种自然现象给人们的生活带来了极大的不便利，不仅容易因为路面打滑等因素引发交通事故，影响人类出行，更严重威胁了其人身安全，为社会发展和国民经济带来了难以估计的损失。当前融雪剂除冰雪手段仍然被广泛应用，不但损坏路面结构设施，影响其寿命，而且污染环境，危害严重。前赴后继的研究者们不断提出新方法，利用蓄能技术或者电热技术来实现路面融雪化冰，研究进展效果显著，但是都存在一些不可忽略的消极影响。由此看来，一种新颖环保、安全高效的融雪除冰手段已经成为现在社会上急需研究的内容。本研究提出了一种符合上述要求的新设想—利用电阻网法实现融雪化冰。论文选用有限单元法，旨在对电阻网法用于道桥结构层表面融雪除冰工作中的原理进行研究，并获取在不同的铺装功率和环境气象条件下的路面温度及结构层内的温度分布、升温规律等;设计制作了实验装置，通过实验获得与有限元分析方法相同条件下的路面及结构层内温度。对比实验数据和数值分析数据，从而探讨分析该除冰方法的可行性及可靠性。在此基础上，进一步研究了电阻网融雪化冰技术如何在工程实践中得到很好的应用。
　　本研究主要内容包括：⑴以传热学理论作为基础，研究电阻网融雪化冰系统的传热机理，推导出结构层内的控制微分方程及定解条件，从而求解方程得到结构层温度分布的解析解及结构层散热量计算的数值解。⑵利用ANSYS软件建立电阻网融雪化冰系统的数学模型，将初始条件、边界条件及换热条件等以载荷形式旌加到模型上进行计算。模拟过程主要研究结构层温度场与相关影响因素（铺装功率、铺装方式、铺装位置、不同路面材料、气象条件等）的关系，总结系统的温度分布及升温规律，为电阻网融雪化冰系统施工工艺的设计提供理论基础和技术支撑，为系统的后续实验提供必要的研究数据和方案指导。⑶开展电阻网融雪化冰系统工作效果的实验研究，设计制作与模拟环境相同的模型，分别记录不同的铺装功率下获得的各测点温度，整理出该系统模型的温度分布及升温规律，并与数值模拟结果进行对比论证。⑷对电阻网融雪化冰技术的经济性进行探讨，提出该项技术如何在工程实践中开展的设计方案，并对方案进行客观评价。⑸本研究发现实验数据规律能够较好地符合数值分析数据的规律。验证得知:可以利用有限元分析方法及ANSYS软件模拟电阻网在不同环境条件下的融雪化冰这一非稳态导热过程，为指导电阻网用于路面融雪化冰工程设计及升温控制提供了一种新方法和理论依据。通过模拟和实验的综合运用，对电阻网法的推广起到了一定的推动作用，该项技术应用前景广阔。

目录

声明

摘要

参考符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状与进展

1．2．1 融雪除冰方法的研究历史及现状

1．2．2 热融法的国内外发展及现状

1．2．3 电阻网法的研究进展及应用

1．3 课题研究目的及需关键解决的问题

第二章 电阻网用于路面融雪化冰的机理及传热方程

2．1 问题的提出

2．2 电阻网传热基本理论

2．2．1 数学模型的简化

2．2．2 控制微分方程式的建立

2．2．3 定解条件的确定

2．3 传热方程的推导

第三章 基于电阻网法的路面融雪化冰系统温度场的数值模拟

3．1 电阻网数学模型有限单元法概述

3．2 有限单元法的前处理模块

3．2．1 单元类型的确定

3．2．2 热分析的基本材料属性

3．2．3 模型建构及网格划分

3．3 有限单元法的求解过程

3．3．1 定解条件的处理

3．3．2 上表面综合换热系数的处理

3．4 有限单元法的结果处理与分析

3．4．1 针对实验情况(铺设7根)的不同铺装功率下结构层的温度场分析

3．4．2 同一铺装功率不同的电阻网铺装情况对应的结构层温度场分析

3．4．3 同一铺装功率不同的电阻网铺装位置结构层的温度场分析

3．4．4 同一铺装功率不同的结构层材料所对应的温度场分析

3．4．5 同一铺装功率不同的综合换热系数传热所对应的温度场分析

3．5 模拟结果小结

第四章 电阻网融雪化冰实验研究

4．1 融雪化冰实验用具介绍

4．2 实验描述

4．2．1 实验目的

4．2．2 实验设计

4．3 实验结果和讨论

4．3．1 模型A、B、C、D测点的温度随时间的变化趋势图

4．3．2 模型表面不同坐标测点的温度变化图

4．4 数据处理结果与模拟结果的对比讨论

4．5 实验误差分析

第五章 电阻网融雪化冰技术探讨

5．1 道桥结构融雪化冰用电阻网的设计

5．2 电阻网的铺装设计

5．3 电阻网的供电方法

5．4 电阻网的供电特点

5．5 电阻网的后处理方法

5．6 应用结冰测量系统

第六章 结论与展望

6．1 结论总结

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文