通風(fēng)管路堤的安裝通風(fēng)口對降溫效果的影響

通風(fēng)管路堤的安裝通風(fēng)口對降溫效果的影響

多年冷凍土的冷凍、穩(wěn)定和處理技術(shù)是國家實施“西部開發(fā)戰(zhàn)略”所需的最重要工程之一。隨著青藏鐵路的建成并通車,其安全營運及維護成為一個十分重要的問題,同時,青藏公路高速化計劃也被提到了議事日程,因此,有必要從綜合的角度來研究各種地溫調(diào)控技術(shù)對多年凍土的保護機理及其影響因素,研究出適合青藏高原特點且更為有效的地溫調(diào)控新技術(shù)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。塊(碎)石路堤的自然對流降溫效果很大程度上取決于塊(碎)石的粒徑大小,試驗路堤溫度場變化的實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)粒徑較小的碎石路堤自然對流降溫效果不明顯,而通風(fēng)管路堤是一種較為有效的地溫調(diào)控技術(shù)[5,6,7,8,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],其降溫效果主要由通風(fēng)管冬季通風(fēng)能力決定,風(fēng)速的大小直接影響到通風(fēng)管內(nèi)空氣與路堤的對流換熱,從而影響到路堤內(nèi)部以及路堤底下多年凍土的溫度分布。由于冬季風(fēng)速大,通過通風(fēng)管的對流換熱效率也較高,且氣溫較低,有利于路堤的冷卻和保持路堤的穩(wěn)定。對于傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤,為了在通風(fēng)管內(nèi)有較大的氣流速度,通風(fēng)管在路堤中的埋深位置要求離地表面有一定的高度,這一定程度上限制了通風(fēng)管對路堤下土層的降溫,另外,由于路堤走向的變化,風(fēng)向?qū)⒂绊戇M入通風(fēng)管的風(fēng)量,從而影響了傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤的降溫效果。由于青藏公路高速化改造中對凍土路堤的穩(wěn)定性提出了更高要求,迫切需要研究能夠增強路堤降溫效果的綜合地溫調(diào)控技術(shù),為此,論文提出在通風(fēng)管口加裝豎向通風(fēng)管及自然迎風(fēng)采風(fēng)口的采風(fēng)口通風(fēng)管路堤,不管路堤走向采風(fēng)口始終朝向風(fēng)向,其能最大限度采集冷空氣進入通風(fēng)管,提高通風(fēng)管與路堤之間的對流換熱效率,以達到增強凍土路基的降溫效果。這種綜合地溫調(diào)控技術(shù)將更有利于凍土路堤的穩(wěn)定,相關(guān)研究目前還很缺少,其降溫效果與進風(fēng)量的關(guān)系、夏季的影響等問題都需要進行開拓性的研究。根據(jù)通風(fēng)管進風(fēng)量的定義,分析了傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤和加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤進風(fēng)量的變化,并對青藏高原多年凍土區(qū)加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤降溫效果的增強作用及影響因素進行了具體研究,為加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤在青藏公路高速化改造中的實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。1通風(fēng)器輸入流量的計算1.1通風(fēng)管進風(fēng)口安全分析圖1所示為通風(fēng)管路堤的通風(fēng)管布置,進風(fēng)口加裝自然迎風(fēng)的采風(fēng)口,出風(fēng)口可加裝自動溫控門。為了增強凍土路堤的降溫效果,采風(fēng)口采集冷空氣進入到通風(fēng)管的進風(fēng)量要盡可能大,以增強通風(fēng)管與路堤之間的對流換熱效率。為研究通風(fēng)管不同進風(fēng)方式的進風(fēng)量大小,其進風(fēng)量可按下式計算式中:L是通風(fēng)管的進風(fēng)量,m3/h;F是通風(fēng)管進風(fēng)口的有效面積,m2;u是進風(fēng)口的平均風(fēng)速,m/s。在路堤走向確定以后,風(fēng)速、風(fēng)向是影響通風(fēng)管進風(fēng)量的主要因素。從青藏高原實際的風(fēng)速風(fēng)向觀察資料分析,冬季和夏季期間的風(fēng)向總體上互為相反,且冬節(jié)風(fēng)速明顯大于夏季風(fēng)速。因此,采風(fēng)口應(yīng)裝在冬季迎風(fēng)的路堤一側(cè),否則會產(chǎn)生倒灌現(xiàn)象,即出風(fēng)口迎風(fēng)向時由于采風(fēng)口會自動迎風(fēng)而造成出風(fēng)口和采風(fēng)口同時進風(fēng)的現(xiàn)象。由于采風(fēng)口安裝在路堤的迎風(fēng)一側(cè),當(dāng)夏季風(fēng)向轉(zhuǎn)向出風(fēng)口時這種倒灌現(xiàn)象將減少通風(fēng)管的夏季通風(fēng),減輕通風(fēng)管夏季增溫效應(yīng),當(dāng)然最好通過自動溫控門控制通風(fēng)管夏季通風(fēng)。1.2進風(fēng)管出風(fēng)口面積和高度對于傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤,當(dāng)風(fēng)向與通風(fēng)管軸線同向時,通風(fēng)管進風(fēng)口的有效面積即是其橫截面積,當(dāng)風(fēng)向與通風(fēng)管軸線斜交時,可先將風(fēng)速分解為平行于通風(fēng)管軸線方向的分量和垂直于管軸線方向的分量,如圖2所示,設(shè)通風(fēng)管管口風(fēng)速為u,與通風(fēng)管軸線的夾角為(,則沿通風(fēng)管方向的風(fēng)速分量u′為利用式(1),通風(fēng)管的進風(fēng)量計算式為式中F0為通風(fēng)管橫戴面,也可以認為通風(fēng)管進風(fēng)口的有效面積等于通風(fēng)管橫截面積在風(fēng)速方向的投影面積,即因此,在風(fēng)速一定時,路堤通風(fēng)管進風(fēng)口橫截面積在風(fēng)速方向的投影面積越大通風(fēng)管進風(fēng)量也將越大,其冬季進風(fēng)也將更有利于路堤的降溫。根據(jù)青藏公路典型路段的氣象觀察資料,距地面10.85m處的風(fēng)速年變化規(guī)律為由上式可知,除去平均風(fēng)速,一年中沿路堤橫斷面的風(fēng)向變化剛好轉(zhuǎn)過一周。假設(shè)風(fēng)向從夏季開始剛好與出風(fēng)口一側(cè)通風(fēng)管軸線重合,則有對于只有水平通風(fēng)管的傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤,設(shè)水平通風(fēng)管軸線距天然地表的高度h2,則通風(fēng)管進風(fēng)口附近風(fēng)速uy/h2的計算公式為根據(jù)文獻分析,考慮路堤左右側(cè)風(fēng)壓差、通風(fēng)管局部阻力損失及沿程阻力損失的影響,管外風(fēng)速換算成管內(nèi)風(fēng)速要乘以一個阻力系數(shù)ξ1式中,K1、K2為通風(fēng)管進風(fēng)口和出風(fēng)口外側(cè)的空氣動力系數(shù),ξi為通風(fēng)管進風(fēng)口局部阻力損失系數(shù),ξo為出風(fēng)口局部阻力損失系數(shù),λh為水平通風(fēng)管沿程摩阻系數(shù),l為水平通風(fēng)管長度,d為通風(fēng)管直徑。利用式(1)、(4)及(5)-(8),傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤進風(fēng)口的進風(fēng)量L1可表示為從冬季降溫效應(yīng)的角度考慮,可對通風(fēng)管進風(fēng)量只計算一年中冬季半周期的平均進風(fēng)量(夏季通風(fēng)管溫控門自動關(guān)閉),則對上式冬季半周期求平均值,得式中,L1是傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤在冬季半個周期內(nèi)的平均進風(fēng)量。1.3管引阻力系數(shù)設(shè)采風(fēng)口中心線與水平通風(fēng)管軸線垂直距離為h1、水平通風(fēng)管軸線與天然地表垂直距離為h2,則采風(fēng)口附近空氣的速度uy/h1可表示為根據(jù)文獻分析,考慮進出風(fēng)口風(fēng)壓差、通風(fēng)管局部阻力損失及沿程阻力損失的影響,采風(fēng)口外風(fēng)速換算成管內(nèi)風(fēng)速要乘以一個阻力系數(shù)ξ2式中,K1、K2為采風(fēng)口進風(fēng)口外側(cè)和出風(fēng)口外側(cè)的空氣動力系數(shù),ξi為采風(fēng)進風(fēng)口局部阻力損失系數(shù),ξe為采風(fēng)口90°彎的局部阻力損失系數(shù),λv為豎直通風(fēng)管沿程摩阻系數(shù),其它參數(shù)同前。對于采風(fēng)口通風(fēng)管路堤,由于采風(fēng)口能自動轉(zhuǎn)向迎風(fēng)方向,在冬季氣溫負半周內(nèi)風(fēng)速方向始終能與采風(fēng)口軸線重合,則通風(fēng)管的有效進風(fēng)面積為利用式(1)、(5)及(11)-(13),采風(fēng)口通風(fēng)管路堤進風(fēng)口的進風(fēng)量L2可表示為同樣,從冬季降溫效應(yīng)的角度考慮,可對采風(fēng)口通風(fēng)管進風(fēng)量只計算一年中冬季半周期的平均進風(fēng)量(夏季通風(fēng)管溫控門自動關(guān)閉而不通風(fēng)),則有式中,L2是采風(fēng)口通風(fēng)管路堤在冬季半周期內(nèi)的平均進風(fēng)量。1.4階段中雙次采空口通風(fēng)管路堤進風(fēng)力值的年周期內(nèi)變化規(guī)律總體上,通風(fēng)管進風(fēng)量隨風(fēng)速周期變化,為比較采風(fēng)口通風(fēng)管路堤與傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤的具體進風(fēng)能力,假設(shè)路堤水平通風(fēng)管為混凝土管,距離天然地表為0.50m,管壁不開孔,通風(fēng)管內(nèi)徑為0.40m,路面寬為10m,路堤高度為3.5m,則h2=0.76m,水平通風(fēng)管長度為18.50m,管道沿程摩阻系數(shù)和局部阻力損失系數(shù)按平均速度3.0m/s取值。圖3所示為采風(fēng)口通風(fēng)管路堤進風(fēng)量和傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤進風(fēng)量在年周期中隨時間的變化曲線,其中,取h1=0。在1月份為最大,采風(fēng)口通風(fēng)管路堤進風(fēng)量為1146m3/h,略高于傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤進風(fēng)量1100m3/h,在冬季期間通風(fēng)管進風(fēng)量明顯比夏季要大,整個冬季期間,在通風(fēng)管加裝采風(fēng)口后路堤進風(fēng)量能顯著增加,會有更多的低溫空氣進入通風(fēng)管,這有利于冬季路堤的冷卻。另外,采風(fēng)口通風(fēng)管路堤能夠適應(yīng)風(fēng)向的變化,采風(fēng)口始終保持迎風(fēng)方向,而傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤進風(fēng)容易受到風(fēng)向變化的干擾。圖4所示為采風(fēng)口通風(fēng)管平均進風(fēng)量與傳統(tǒng)通風(fēng)管平均進風(fēng)量比值L2/L1隨采風(fēng)口高度h1的變化曲線。在傳統(tǒng)通風(fēng)管管口加裝采風(fēng)口后,路堤冬季平均進風(fēng)量是無采風(fēng)口傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤冬季平均進風(fēng)量的1.552倍。當(dāng)采風(fēng)口裝在豎向通風(fēng)管頂端時,通風(fēng)管平均進風(fēng)量將隨著豎向通風(fēng)管高度的增加而增加,兩者成近似線性關(guān)系。當(dāng)加裝采風(fēng)口的豎向通風(fēng)管高度為1.08m時,采風(fēng)口通風(fēng)管路堤平均進風(fēng)量約為傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤平均進風(fēng)量的2倍。對通風(fēng)管系統(tǒng)具體進風(fēng)量的計算,可以為青藏高原多年凍土區(qū)通風(fēng)管路堤設(shè)計提供理論依據(jù),便于比較不同通風(fēng)管系統(tǒng)的降溫效果。2采區(qū)對路堤的冷卻效果得到改善2.1冬季通風(fēng)有利于防止土體的殘余蓄熱對流換熱是多年凍土區(qū)通風(fēng)管路堤通過通風(fēng)管與外界空氣發(fā)生熱交換的重要形式,對流換熱量的大小直接影響通風(fēng)管路堤的降溫效果。在冬季,通風(fēng)管路堤由于管壁與低溫空氣發(fā)生對流換熱而冷卻路堤及其下面土體[5,6,7,8,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22],通風(fēng)管增強了路堤及其土體的降溫能力,因此,冬季通風(fēng)有利于抵消路堤下土體的多余蓄熱。對于通風(fēng)管內(nèi)壁的對流換熱,屬于第三類邊界條件,有式中,α是通風(fēng)管管壁與空氣之間的對流換熱系數(shù),λ0是通風(fēng)管管壁的有效導(dǎo)熱系數(shù),n是管壁邊界的外法線方向,θa1是通風(fēng)管內(nèi)的空氣溫度。對于青藏高原多年凍土區(qū)路基,通風(fēng)管一般采用混凝土圓管,且通風(fēng)管內(nèi)空氣流動速度一般小于5m/s,其對流換熱系數(shù)采用如下公式計算式中,uy0是通風(fēng)管軸線方向的空氣流動速度。2.2冬季期間,傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤對流換根據(jù)進風(fēng)量定義,可由進風(fēng)量計算公式(9)和(14)求出傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤和加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤中通風(fēng)管的空氣流動速度。據(jù)此,代入(17)可具體分析加裝采風(fēng)口對通風(fēng)管路堤冬季對流換熱降溫效果的影響。為便于直觀分析加裝采風(fēng)口對通風(fēng)管路堤降溫效果的增強作用,圖5給出了傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤和加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤對流換熱的變化曲線,計算時路堤相關(guān)數(shù)據(jù)同前節(jié)。計算表明,加裝采風(fēng)口對通風(fēng)管路堤由冬季對流換熱引起的降溫效果起到了增強作用,尤其是采風(fēng)口裝在豎向通風(fēng)管上端時這種降溫效果的增強作用更為明顯。在1月份,傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤的對流換熱系數(shù)為19.26W/m2·K,而加裝采風(fēng)口時能達到19.82W/m2·K,在整個冬季期間,傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤對流換熱系數(shù)在5.99~19.26W/m2·K之間變化,而加裝采風(fēng)口時在15.32~19.82W/m2·K之間變化,能保持相對恒定的對流換熱降溫效果。當(dāng)采風(fēng)口加裝在2.0m豎向通風(fēng)管上端時,冬季期間的對流換熱降溫效果能達到19.96~26.68W/m2·K之間。從單純對流換熱角度看,暖季期間加裝采風(fēng)口會明顯加大通風(fēng)管對路堤的增溫效應(yīng),對流換熱系數(shù)達到了10.83~19.96W/m2·K之間,為了消除這一增溫現(xiàn)象需要采用自動溫控技術(shù)以確保通風(fēng)管路堤只在冬季期間通風(fēng)降溫。單純從通風(fēng)管對流換熱的角度考慮,采風(fēng)口安裝高度越高越好,但由于路堤車輛的運行,將會擾動路堤兩側(cè)附近的風(fēng)場,使風(fēng)向改變。如果采風(fēng)口安裝較高的話會經(jīng)常性地改變采風(fēng)口的迎風(fēng)方向,這相當(dāng)程度地影響采風(fēng)口的采風(fēng)效率。為避免這種不利于采風(fēng)口進風(fēng)的現(xiàn)象發(fā)生,采風(fēng)口的安裝高度最高應(yīng)不超過路堤高度。室內(nèi)試驗研究表明,通風(fēng)管進風(fēng)口加裝自然迎風(fēng)的采風(fēng)口有利于凍土路堤冬季降溫。數(shù)值計算和實驗研究有利于確定通風(fēng)管路堤傳熱特性及通風(fēng)管內(nèi)空氣的流動規(guī)律,但這比較費時費錢,不適合通風(fēng)管路堤多工況的對比分析,而利用本文計算方法可快速比較各種路堤通風(fēng)管系統(tǒng)的降溫能力,便于工程應(yīng)用。加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤與傳統(tǒng)通風(fēng)管路堤相比主要增加了采風(fēng)口結(jié)構(gòu),而采風(fēng)口可以用不銹鋼片及PVC管等材料制成,其結(jié)構(gòu)比較簡單,總體費用在批量生產(chǎn)條件下不會太貴,因此,加裝采風(fēng)口通風(fēng)管路堤費用也不會增加很多。3路堤沒有排放系統(tǒng)中的市場1)針對青藏高原凍土區(qū)通風(fēng)管路堤,論文對加裝采風(fēng)口對通風(fēng)管路堤降溫效果的增強作用進行了探索性研究。2)對流換熱是多年凍土區(qū)通風(fēng)管路堤通過通風(fēng)管與外界空氣發(fā)生熱交換的重要形式,對流換熱量的大小將直接影響通風(fēng)管路堤的降溫