混凝土坝冷却水管冷却效果仿真计算研究

摘要

在混凝土坝中预埋冷却水管，利用冷却水管中循环冷水的流动来降低混凝土内部水泥的水化热温升，是混凝土坝温度控制的最有效措施之一，在国内外混凝土坝的施工中，广泛采用了水管冷却以控制坝体温度，但水管冷却与浇筑层面散热联合作用、冷却水管中水温的沿程变化规律及冷却水管冷却效果的准确计算等问题还未认识清楚，有许多计算是在理想条件下进行的，与实际还有出入。 本论文根据热传导理论、有限元理论及冷却水管的冷却特性，深入研究了影响冷却水管冷却效果的主要因素，对影响冷却水管冷却效果的主要因素—混凝土表面散热进行了系统研究，提出了考虑混凝土表面散热对冷却水管冷却效果影响的等效热传导方程；对混凝土坝中冷却水管水温的沿程变化采用冷却水流动和传热耦合的模型进行了系统研究，提出考虑混凝土表面散热和蛇形水管中冷却水沿程温升对冷却水管冷却效果影响的等效热传导方程，建立了相应的计算模型；考虑含有冷却水管的大体积混凝土结构特性，根据冷却水管的布置方式和冷却水管内冷却水的特性，对冷却水管的冷却效果进行了深入细致的研究，对冷却水管子结构进行了系统研究，建立了计算冷却水管冷却效果的冷却水管子结构的三维仿真计算模型，并编制了相应的计算程序；在仿真计算的基础上，深化冷却水管子结构技术研究，提出新的具有高精度的含有冷却水管的混凝土坝温度场的计算模型，建立了温度场仿真分析中三维有限元浮动网格法和冷却水管子结构法的耦合计算模型，确保了混凝土坝温度场和应力场仿真计算的快速；论文结合工程实际，对混凝土坝中冷却水管的布置位置、对含有冷却水管的混凝土坝的施工期及运行期的温度场进行了仿真计算研究和验证。计算结果表明，本文提出的计算理论和考虑混凝土表面散热和冷却水管中水温沿程温升的冷却水管子结构计算方法是正确的，其仿真计算值更接近工程实际，对实际工程有指导价值。 根据本文提出的三维有限元浮动网格法和冷却水管子结构法的耦合计算模型开发的计算软件具有较完整的前后处理功能，界面友好，可视化程度高，计算速度快，具有较高的可靠性，可在含有冷却水管的大体积混凝土工程温度控制仿真计算中推广使用。

目录

文摘

英文文摘

独创性申明和保护知识产权申明

1绪论

1.1大体积混凝土的温度应力

1.2混凝土坝的冷却

1.3混凝土坝温控研究现状

1.4混凝土坝温度场的研究方法

1.5冷却水管冷却效果研究的意义及任务

1.6本文研究内容

1.7本文的创新之处

2温度场有限元计算原理

2.1热传导基本理论

2.2三维等参数单元

2.3稳定温度场有限元计算

2.4非稳定温度场有限元计算

3混凝土表面散热对冷却水管冷却效果的影响

3.1概述

3.2混凝土的表面散热

3.3混凝土表面散热对水管冷却效果影响的计算

3.4考虑表面散热的混凝土等效热传导方程

3.5算例

3.6本章小结

4蛇形冷却水管水温变化规律

4.1概述

4.2冷却水管内水体流动和传热耦合研究

4.3计算模型

4.4沿程水温增量的计算

4.5温度场的迭代求解

4.6工程算例

4.7本章小结

5冷却水管子结构研究

5.1概述

5.2子结构法的分析过程

5.3冷却水管子结构法的基本原理

5.4冷却水管子结构有限元法的实施

5.5冷却水管子结构与三维浮动网格法的耦合研究

5.6本章小结

6冷却水管布置位置对碾压混凝土坝温度场的影响

6.1概述

6.2计算方案

6.3计算方法及计算模型

6.4非稳定温度场计算成果分析

6.5本章小结

7含有冷却水管的混凝土坝温度场仿真分析

7.1工程概况

7.2基本资料

7.3计算方案及计算模型

7.4施工进度安排

7.5坝体温度场仿真计算成果

7.6算例结论

8结论和展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

附录

一、攻读博士学位期间发表的主要论文

二、攻读博士学位期间主持和参加的科研项目