北京足球场草坪冬季电热融雪保绿实验研究

摘要

随着我国社会和经济的发展，足球事业也在蓬勃兴起，各种草坪运动场的数量也急剧增加，奥运建设将新增更多的场馆。另一方面，国际大都市北京对四季常绿的高档景观草坪的需求也越来越多。但由于冬季气候寒冷，草坪受低温胁迫后会失绿枯死。运用加热保温技术保证草坪土壤冬季不结冻，草坪在寒冷的冬季也正常生长，具有重要的实践价值和社会经济效益。 本文对北京地区草坪冬季电缆电热融雪保绿问题，草种的选择及土壤温度场进行研究，旨在对北京地区草坪电缆加热系统进行优化设计。确定电缆电热系统的最佳配置(加热电缆安装功率、单位长度电缆功率、敷设间距，以及埋设深度)，和运行方式，从而达到的最好的节能效果和经济效果。 采用数值模拟和实验研究相结合的方法。为草坪土壤电缆加热系统建立数学模型；通过实验研究为数值模拟提供必要的初始条件和边界条件，并对数值模拟结果进行验证；采用经过验证的数学模型对不同工况的草坪土壤温度场进行数值模拟分析，得到北京地区草坪电缆加热系统的优化设计参数。 本文对采用局部电缆电热系统的草坪土壤，在北京地区最寒冷季节，即2004年11月-2005年3月进行了以下项目的实验研究： ①地表温度、地表下10cm、20cm、25cm、35cm、50cm土壤温度； ②室外空气温度； ③电缆表面温度； ④局部电缆加热装置的能耗。 整个冬季，草坪保持绿色，局部电缆加热装置增温、保绿效果显著。三月中旬随着大气温度的升高，实验草坪表现出明显的早春生长优势。 根据测试结果，对整个冬季草坪土壤温度场的变化、局部电缆加热装置的能耗、土壤预热、加热电缆断电后土壤温度场的变化、覆盖薄膜对土壤温度场的影响、下雪揭膜后土壤温度场的变化，以及系统达到热平衡时土壤温度场的变化进行了分析。 为草坪土壤电缆加热系统建立了一个二维瞬态传热有限元计算模型，应用ANSYS软件对草坪土壤温度场进行了数值模拟，在已知初始条件和边界条件时，可得到任意时刻的温度场。分别对覆盖薄膜和不覆盖薄膜情况下，数值模拟温度场与实测温度场进行了对比分析。结果表明，两者吻合得较好。 采用该数学模型对北京地区冬季最冷月(一月)平均室外气象条件下，特定土壤物性参数的足球场草坪和高档景观草坪，不同的安装功率、不同的加热电缆敷设间距、不同的埋设深度，按照草坪用途确定的不同使用时间(不覆盖时间)，以及不同运行方式的13种工况进行了数值模拟计算。通过对模拟结果的分析，得到北京地区草坪电缆加热系统的设计参数，可作为工程应用参考。 研究了采用解析法对单位面积草坪所需的加热电缆安装功率进行计算的公式。与数值模拟结果对比表明，公式确定的加热电缆安装功率，能够满足草坪土壤的温度要求，可满足工程应用需要。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于学位论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1引言

1.2草坪草种

1.2.1冷季型草坪草

1.2.2暖季型草坪草

1.2.3适宜北京气候条件的草坪草

1.3草坪冬季防寒保温技术发展状况

1.3.1地上覆盖保温技术

1.3.2地埋式加热保温技术

1.3.3地上覆盖与地埋加热技术相结合

1.4草坪冬季融雪保绿技术国内外研究现状

1.5本课题的主要研究内容与实际意义

第2章北京草坪冬季电热融雪保绿实验研究

2.1实验目的

2.2实验草坪

2.3实验草坪电缆加热装置

2.4测点布置

2.5实验测试项目与方法

2.6实验测试仪器

2.7实验测试结果及结果分析

2.7.1整个冬季土壤温度场的变化

2.7.2整个冬季局部电缆加热装置的能耗

2.7.3土壤预热

2.7.4加热电缆断电后土壤温度场的变化

2.7.5覆盖薄膜对土壤温度场的影响

2.7.6下雪揭膜对土壤温度场的影响

2.7.7系统达到热平衡时土壤温度场的变化

2.8本章小结

第3章北京草坪冬季电热融雪保绿数值模拟研究

3.1草坪土壤传热理论分析

3.2 ANSYS简介

3.2.1 ANSYS稳态热分析

3.2.2 ANSYS瞬态热分析

3.3数学模型

3.4草坪土壤热物性参数

3.5模型边界条件

3.6采用ANSYS对草坪土壤进行瞬态热分析的基本步骤

3.7模型的检验

3.7.1覆盖农用薄膜时模型的检验

3.7.2不覆盖农用薄膜时模型的检验

3.8本章小结

第4章数值模拟不同工况的草坪土壤温度场

4.1数值模拟工况的选取

4.1.1室外气象条件的选取

4.1.2草坪使用时间的选取

4.1.3土壤热物性参数的选取

4.1.4电缆加热装置设计参数的选取

4.1.5运行方式的选取

4.1.6数值模拟工况

4.2数值模拟结果

4.3数值模拟结果分析

4.3.1安装功率

4.3.2埋设深度

4.3.3敷设间距

4.3.4运行方式

4.4本章小结

第5章北京草坪冬季电热融雪保绿设计公式

5.1单位面积安装功率

5.1.1足球场草坪单位面积安装功率

5.1.2高档景观草坪单位面积安装功率

5.2加热电缆敷设间距

5.3本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢