混凝土坝冷却水管初期冷却效果研究

摘要

混凝土坝的人工冷却方法有很多种，在工程实践中采用最多的是埋设冷却水管。根据降温的阶段目的，冷却水管的整个运行过程一般可分为两期，即初期冷却和后期冷却。
　　冷却水管的初期冷却往往与混凝土浇筑层的散热结合在一起，其降温冷却效果的影响因素较多。这就使得我们不能采用传统的方法，而必须借助于有限元法来分析初期水管冷却的温度计算问题。
　　在冷却水管温度场计算的仿真分析中，由于要考虑大体积混凝土坝每层混凝土施工的时间不同，浇筑温度不同，材料参数各异。有必要探索新的简单适用且能被一般工程设计人员所掌握以便在施工过程中及时做出反馈的新方法来进行大体积混凝土坝全过程温度场仿真分析。基于此点，本论文用ANSYS热分析模块中的瞬态热分析以及耦合场来模拟冷却水管与混凝土坝体的热量交换，来进行大体积混凝土坝温度场仿真分析。主要内容如下：
　　1．大体积混凝土坝初期冷却温度场属于混凝土固体热传导与冷却水管对流换热的不稳定温度场，用ANSYS热分析模块中的瞬态热分析可以模拟水管冷却作用下混凝土的温度场。将ANSYS中的相关功能进行了整合，介绍了其基本实现过程。
　　2．基于ANSYS的APDL语言，编制了计算程序，对一实际工程某水电站挡水坝段施工期和运行期水管冷却温度场和温度应力进行了计算和分析，结果表明用ANSYS模拟混凝土坝水管冷却瞬态温度场和温度应力场是可行的且计算精度较高。
　　3．对影响水管冷却效果的敏感因素进行了参数分析，分别考虑了布置形式、管材、管径、水管间距、通水流量、冷却水温、通水起始时间和通水持续时间对坝体温度的影响，得出水管间距和冷却水温对坝体温度场影响比较大。

目录

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1 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究的状况和发展趋势

1.2.1 冷却水管初期冷却计算的平面有限元法

1.2.2 后期冷却计算的理论分析及传统解法

1.2.3 水管冷却的数值模拟

1.2.4 冷却水管冷却计算的等效算法

1.3 本文研究的主要内容

2 混凝土温度场和温度应力场的有限元基本理论

2.1 导热微分控制方程

2.2 初始条件和边界条件

2.2.1 初始条件

2.2.2 边界条件

2.3 温度场有限元基本理论

2.3.1 空间不稳定温度场泛函

2.3.2 温度场的有限元解法

2.4 水管冷却的等效算法温度场基本理论

2.4.1 无热源时冷却水管冷却效果的计算

2.4.2 有热源的水管冷却问题

2.5 混凝土温度应力计算原理

2.5.1 单向应力状态下的应力应变增量关系

2.5.2 复杂应力状态下的应力应变增量关系

2.5.3 各时段应力计算平衡方程

2.5.4 单元应力

3 混凝土坝水管冷却仿真计算在ANSYS中的实现

3. IANSYS简介

3.1.1 ANSYS概况

3.1.2 ANSYS的基本分析过程

3.2 ANSYS在水工中的应用

3.3 ANSYS热分析理论

3.3.1 控制微分方程

3.3.2 ANSYS热分析的热传递方式

3.3.3 ANSYS热分析的种类

3.3.4 ANSYS热分析的边界条件和初始条件

3.4 用ANSYS瞬态热分析模拟混凝土坝瞬态温度场

3.4.1 理论上的可行性

3.4.2 初始条件和边界条件的统一

3.4.3 实现过程

4 混凝土坝冷却水管通水初期冷却工程实例

4.1 工程概况

4.2 基本资料

4.2.1 坝址气温和水温

4.2.2 碾压混凝土热力学参数

4.3 仿真过程

4.3.1 基本假设

4.3.2 有限元模型

4.3.3 施工进度及蓄水过程

4.3.4 计算方案

4.4 坝体温度场计算成果及分析

4.4.1 稳定温度场计算成果

4.4.2 非稳定温度场计算成果

4.5 温度应力场计算成果及分析

5 水管冷却参数分析

5.1 引言

5.2 水管布置形式及埋设位置

5.3 水管直径

5.4 水管材料的导热性能

5.5 水管间距

5.6 水管流量

5.7 水管长度

5.8 冷却水温

5.9 起始冷却时间

5.10 通水持续时间的影响

5.11 水流方向的转换

5.12 影响坝体冷却效果的因素分析总结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 存在问题及展望

致谢

参考文献

附录

一、攻读硕士学位期间发表的论文

二、攻读硕士学位期间参加的主要科研项目