[发明专利]一种路基融冰特性的模拟计算方法

说明书

本发明提出一种路基融冰特性的模拟计算方法，步骤一、针对路基表面有冰覆盖的情况，建立路基融冰的数值计算几何模型，并获取几何模型参数；步骤二、对步骤一中的几何模型进行网格划分，并进行网格无关性的验证；步骤三、建立路基融冰过程的能量守恒方程；步骤四、设置边界条件；步骤五、采用SIMPLE算法对路基融冰的过程进行基于压力的非稳态二维平面数值模拟计算，其中能量守恒方程采用二阶迎风离散格式，收敛条件定义为能量守恒方程收敛残差。所述模拟计算方法计算量小，方法简单。

技术领域

本发明属于路基热流体融冰特性技术领域，特别是涉及一种路基融冰特性的模拟计算方法。

背景技术

热流体用于路基融雪的研究起始于20世纪50年代，先后经历了采用地热、太阳能蓄热系统的变化过程。日本在太阳能蓄热系统这方面的研究起步较早，在原理及应用等方面都有了较大的进展。1997年，吉林大学研究者率先提出道路太阳能利用和蓄能的融雪在北方应用设想，并一直在地能利用和融雪化冰方面开展研究工作。相同时候，天津大学也开展了道路融雪实验和模型计算的相关工作。哈尔滨工业大学、北方工业大学等也相继展开相关研究。但是目前的一些模型计算方法相对复杂，计算量大，计算精度低。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种路基融冰特性的模拟计算方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种路基融冰特性的模拟计算方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、针对路基表面有冰覆盖的情况，建立路基融冰的数值计算几何模型，并获取几何模型参数；

步骤二、对步骤一中的几何模型进行网格划分，并进行网格无关性的验证；

步骤三、建立能量守恒方程：

其中，E表示热流体总能量，h_j表示组分j的焓，k_eff表示有效导热系数，J_j表示组分j的扩散通量，S_h表示化学反应热及体积热源项，ρ表示密度，t表示时间，▽为Hamilton算子，用来表示梯度和散度，μ表示动力粘度，p表示压力，T表示温度，τ_eff表示有效粘性应力；

步骤四、设置边界条件；

步骤五、采用SIMPLE算法对路基融冰的过程进行基于压力的非稳态二维平面数值模拟计算，其中能量守恒方程采用二阶迎风离散格式，收敛条件定义为能量守恒方程收敛残差。

进一步地，所述几何模型参数包括宽度、高度、埋管深度和埋管半径。

进一步地，对于路基融冰，其边界条件具体设置为：路基上表面与冰块接触，冰块上表面与外界环境直接接触，所以几何模型上表面采用第三类边界条件；对流换热系数h取18；自然对流温度取UDF导入的环境温度；路基中的混凝土试件和冰块两侧面采用对称边界条件；几何模型底面采用等温条件，温度采用初始环境温度；几何模型加热壁面采用等温条件，温度采用实验供水温度；路基中的混凝土试件和冰块耦合面厚度取0。

进一步地，所述对流换热系数h用下式计算：

其中a、b、n均表示计算系数，v表示风速。

附图说明

图1为路基融冰几何模型示意图；

图2为融冰模拟的网格无关性验证示意图；

图3为路基融冰路面温度实验值与模拟值对比图；

图4为路基融冰中供水温度对路面温度的影响示意图；

图5为路基融冰中温度变化云图；