对流-导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析.pdf
《对流-导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《对流-导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析.pdf(6页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()兵团区域创新引导计划项目()作者简介:刘泓蔚男助理工程师硕士研究方向为水利水电工程 :.通信作者:姜海波男教授博士博士生导师主要从事多场耦合作用下岩土体多尺度损伤破坏与稳定研究 :.文章编号:()引用本文:刘泓蔚孟尧姜海波.对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析.人民长江():.对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析刘 泓 蔚孟尧姜 海 波(.石河子大学 水利建筑工程学院新疆 石河子 .广东电网有限责任公司 汕尾供电局广东 汕尾.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院新疆 乌鲁木齐)摘要:寒区水
2、工隧洞在通风条件下产生的温度变化会影响衬砌结构力学性能进而影响水工隧洞的安全运行以新疆布伦口水电站水工隧洞为依托基于现场监测数据采用有限元法对在不同风温、风速下隧洞不同深度处衬砌结构的热学、力学耦合特性进行深入分析 结果表明:不同风温下水工隧洞洞口衬砌温度低于洞内衬砌温度洞口衬砌温度变化幅度大于洞内衬砌温度变化幅度随着通风时间增加一次衬砌与二次衬砌压应力均先减小后增大最大压应力均位于拱腰处不同风速下一次衬砌与二次衬砌最大温差为.沿水工隧洞轴向与径向距离的增加温度逐渐升高风速、风温影响逐渐减小最大温度拉应力位于拱腰一次衬砌为.二次衬砌为.在不同风温和不同风速下一次衬砌与二次衬砌位移均呈水平收缩、
3、竖直隆起趋势 研究成果可为寒区水工隧洞衬砌优化设计提供理论参考关 键 词:衬砌结构 水工隧洞 对流 导热 热力耦合 布伦口水电站 寒区中图法分类号:文献标志码:./.引 言中国常年冻土、冰川以及季节积雪区等寒区地带约占中国陆地面积的.在“双碳”目标及大力发展“抽水蓄能”等政策的指引下中国寒区水利水电工程的发展迎来新的阶段 衬砌冻害已成为影响寒区水工隧洞安全运行的重要问题 在通风条件下水工隧洞与外部发生对流热交换使得衬砌热力学性质发生改变严重影响其安全运行 针对衬砌热力学问题前人已取得部分研究成果包括对隧洞与风流换热的换热系数、围岩衬砌结构导热系数的研究 对寒区隧洞温度场的相关研究 分析温度变化
4、下衬砌结构刚度和抗压强度变化情况 以及对围岩、衬砌结构进行应力分析等 但上述研究多数只考虑了温度、应力、位移某一因素的影响对于多场耦合的研究较少 寒区水工隧洞现场实际情况更为复杂因此在上述研究的基础上本文以新疆布伦口水电站水工隧洞为背景以 本构模型及对流 导热耦合模型为基础利用水工隧洞衬砌结构温度监测所得数据采用 有限元软件进行仿真计算 计算过程中以间接耦合方式对不同风温、风速工况下衬砌结构的温度、应力、位移耦合情况及其变化规律进行深入分析探究其变化规律及特性研究成果可为寒区水工隧洞衬砌结构优化设计提供理论参考 水工隧洞温度特征监测分析.工程概况及现场监测方案新疆布伦口水电站位于季节性冻土区其
5、水工隧 人 民 长 江 年洞已处于运行通风期全长.隧址区全年温差较大最低气温 .最高气温.绝对温差.冬季平均温度.当地河流常年平均初冻期在 月底最晚解冰期在 月初平均封冻天数为 历史记录冰期最长 测得当地平均风速./西风 工程周边最大积雪厚度 最大冻结深度 通过对该电站水工隧洞温度进行监测分析得到水工隧洞衬砌结构壁面温度及周边围岩的平均温度为 该电站及水工隧洞所在地层为第四系未见明显层理变化地质构造好水工隧洞的围岩完整性较好 隧洞上部埋深厚度为 周围围岩中仅含少量上层滞水分布范围小洞内围岩、衬砌结构内含水量较少可以忽略其对温度、应力、位移等情况的影响为研究寒区水工隧洞衬砌结构热力耦合特性在、月
6、对水工隧洞周围大气温度以及水工隧洞内部衬砌结构壁面温度使用温度记录仪进行监测 监测中发现该水工隧洞进出口部位易发生冻害因此主要对其进出口段进行监测 监测对象为距离洞口 范围内以 距离为基准将其均分成 个监测区间取各区间中点作为监测断面其中一次衬砌厚度为.二次衬砌厚度为.监测示意图见图 测量、月每日:、:、:、:四个时间的一次衬砌与二次衬砌温度值得其日平均气温继而得到、月平均气温见表 图 隧洞衬砌温度监测横向布置(尺寸单位:).图 隧洞衬砌温度监测径向布置.表 洞壁一次衬砌与二次衬砌温度监测数据.编号距离/一次衬砌温度/二次衬砌温度/.隧洞衬砌结构温度演化规律对监测数据进行分析可知:洞内一次衬砌
7、与二次衬砌温度随洞深度的增加而逐渐升高洞中衬砌温度高于洞口衬砌二次衬砌温度低于一次衬砌 洞内距离从 深入到 时一次衬砌温度升高.升高幅度.从 深入到 时一次衬砌温度升高.升高幅度.从 深入到 时一次衬砌温度升高.升高幅度.二次衬砌对应位置温度升高幅度分别为.、.、.综上可知随着往洞内距离的增大衬砌温度升高幅度逐渐降低 模型建立及计算条件.寒区水工隧洞对流 导热作用模型的建立空气与水工隧洞衬砌结构接触发生对流换热两种衬砌结构之间、衬砌与围岩之间因存在温度差也发生热传导继而影响其温度场分布 对此本文建立对流 导热耦合模型 文中空气与衬砌结构壁面发生自然对流热传递使用牛顿冷却定律来描述:()()式中
8、:为热流密度/为物质的对流换热系数/()为物体的壁面温度为介质的平均气温衬砌结构之间及衬砌和围岩之间的导热可用傅立叶热传导定律来描述:(/)()式中:为热 流 密 度/为 材 料 导 热 系 数/()因此对流 导热耦合模型公式可描述为(/)()()本次计算模型为 的立方体三维模型水工隧洞围岩半径为 一次衬砌和二次衬砌厚度分别为.因温度作用施加对水工 第 期 刘泓蔚等:对流 导热作用下寒区水工隧洞衬砌热力耦合分析隧洞衬砌结构的影响时间较长为方便后续结果分析温度取某年 月至次年 月共 个月 的温度值每 温度取一个均值共 个温度荷载进行叠加作用在水工隧洞内衬砌面和水工隧洞进出口断面上分析水工隧洞的热
9、力耦合特性 对该计算模型底部约束、方向自由度对前后约束 方向自由度对左右约束 方向自由度围岩及一次衬砌、二次衬砌绑定约束施加载荷为自身重力及水工隧洞上部埋深压力 分析采用 六面体单元因研究部位主要为衬砌结构及其周边围岩故对水工隧洞围岩周边、衬砌结构进行加密网格单元划分计算模型见图 模型网格划分见图 围岩划分 个单元一次衬砌划分 个单元二次衬砌划分 个单元共 个单元图 数值计算模型.图 模型网格划分.计算参数及边界条件由工程现场监测数据可知衬砌、围岩及周边岩体平均温度为 风流平均温度为 隧洞外迎风面及隧洞内部衬砌壁面为通风边界与风流进行对流换热因此迎风面及洞内采用变化温度、对流换热边界条件 通风
10、初始温度为 隧洞外壁围岩侧面为绝热边界设置恒温 由文献可知对流换热系数 的值在风速为 /时分别对应为./()为避免埋深影响本次计算取最大埋深 本文研究内容为受不同通风温度、风速影响的水工隧洞衬砌热力耦合为控制变量在计算中作以下假定:围岩自身及周围土体和衬砌结构性质相同且分布均匀、连续、各向同性其换热条件各方向均相同不随方向变化而改变 进行换热的风流是连续、均匀、稳定的风速大小沿途不变热力耦合是指衬砌结构温度场与应力场的耦合 衬砌温度变化会改变衬砌力学性质而衬砌力学性质的改变又会影响衬砌的热学性质如导热系数等进而温度场又发生变化 由文献可知在弹性范围内热学和力学性质两者交互作用影响较小因此本文计
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 对流 导热 作用 下寒区 水工 隧洞 衬砌 热力 耦合 分析