[發(fā)明專利]地下道路復(fù)合式路面溫度場(chǎng)模型建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310004408.1
• 申請(qǐng)日: 2013-01-07
• 公開（公告）號(hào): CN103031801A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海燕;王曉華;甄曦;邢錦;張彩利;婁中波;鄭利;趙巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院
• 主分類號(hào): E01C23/01
• 分類號(hào): E01C23/01;G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國(guó)威

1.一種地下道路復(fù)合式路面溫度場(chǎng)模型建立方法，其特征是，包括如下步驟：

對(duì)地下道路復(fù)合式路面溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)；

地下道路復(fù)合式路面溫度場(chǎng)傳熱學(xué)理論分析：

空氣對(duì)流換熱：

地下道路內(nèi)任意時(shí)刻空氣與路表的對(duì)流換熱可以用牛頓冷卻方程來(lái)描述，即用式3.1來(lái)表示：

q_h＝h(T_a-T_p)??????????????(3.1)

式中：q_h——空氣與路表的對(duì)流換熱；

h——路表放熱系數(shù)；

T_a——地下道路內(nèi)空氣溫度；

T_p——地下道路內(nèi)路表溫度。

路表放熱系數(shù)h指的是：當(dāng)氣流與路表之間的溫度為1℃時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是KJ/m²h℃或kcal/m²h℃；

空氣輻射換熱

地下道路內(nèi)空氣輻射換熱q_ap與大氣長(zhǎng)波輻射q_a和路表長(zhǎng)波輻射q_p之間的關(guān)系見式3.2：

q_ap＝a_cq_a-q_p＝a_cε_aσ_bT_ak⁴-ε_pσ_bT_pk⁴???????????（3.2）

式中：a_c——路表對(duì)大氣輻射的吸收系數(shù)，灰體的吸收率一般取為0.93；

ε_a——大氣的發(fā)射率，ε_a=0.82；

ε_p——路面的發(fā)射率，ε_p=0.93；

σ_b——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ_b=5.67×10-8W/(m²·K⁴)；

T_ak、T_pk——空氣和路表的熱力學(xué)溫度（K）；

為方便計(jì)算，長(zhǎng)波輻射可用式3.3表示：

q_ap＝h_rσ_b(T_ak-T_pk)????????????（3.3）

其中：

h_r＝εσ_b(T_ak+T_pk)(T_ak²+T_pk²)????????????（3.4）

式中：h_r——熱輻射系數(shù)（W/（m²·K））；

ε——大氣與路表發(fā)射率，取0.9；

進(jìn)入地下道路路表的熱流量

進(jìn)入地下道路內(nèi)路路表的熱流等于對(duì)流換熱q_h和路表輻射換熱q_ap之和，即：

q＝q_h+q_ap???????????????（3.5）

熱傳導(dǎo)方程

從氣候?qū)W和傳熱學(xué)基本理論出發(fā)，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，采用二維彈性層狀理論體系對(duì)地下道路路面的溫度場(chǎng)以及溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，作如下的基本假設(shè)：

（1）路面結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，且各層材料是均勻、完全彈性且各向同性；

（2）溫度變化范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)層材料熱學(xué)參數(shù)保持恒定；

（3）路面結(jié)構(gòu)體溫度與路表邊界同頻率周期變化；

（4）忽略接觸阻熱，路面各結(jié)構(gòu)層層間接觸良好，熱傳導(dǎo)連續(xù)；

（5）溫度變化不隨水平坐標(biāo)的變化而變化，只與厚度有關(guān)。

由于道路為一帶狀三維結(jié)構(gòu)體，不考慮溫度沿長(zhǎng)度方向的變化，基于以上的基本假設(shè)，在地下道路橫斷面上，路面結(jié)構(gòu)體溫度函數(shù)T(x,y,z,t)應(yīng)滿足式3.6的熱傳導(dǎo)方程：

∂T1∂t=α1(∂2T1∂x2+∂2T1∂y2+∂2T1∂z2),0≤z≤h1∂T2∂t=α2(∂2T2∂x2+∂2T2∂y2+∂2T2∂z2),h1≤z≤h2.........∂Tn∂t=αn(∂2Tn∂x2+∂2Tn∂y2+∂2Tn∂z2),hn-1≤z≤∞---(3.6)]]>

式中：x—沿路表面縱向，（m）；

y—沿路表面橫向，（m）；

z一路表下的豎向深度，(m);

t一時(shí)間(h)；

h₁一路面結(jié)構(gòu)層第一層厚度，（m）；

h_n-1一路面結(jié)構(gòu)層第n-1層厚度，（m）；

h_n一路面結(jié)構(gòu)層第n層厚度，（m）

α_i(i＝1，2，…n)—路面結(jié)構(gòu)第i層導(dǎo)溫系數(shù)；

熱傳導(dǎo)邊界條件

熱傳導(dǎo)問題中的邊界條件歸納為以下三類：

（1）第一類邊界條件

第一類邊界條件直接給出邊界面上的溫度分布隨時(shí)間或位置變化的規(guī)律，可用式3.7表示：

T＝f(x,y,t)?????????????（3.7）

（2）第二類邊界條件

如果邊界面上的熱流密度q為已知函數(shù)，則稱為第二類邊界條件，用式3.8表示：

∂T∂ni=q(x,y,t)---(3.8)]]>

式中：n_i——物體邊界外法線方向上的單位向量；

——溫度函數(shù)沿邊界外法線的導(dǎo)數(shù)；

當(dāng)邊界面不存在熱交換時(shí)，則在邊界面上稱為絕熱邊界條件；

（3）第三類邊界條件

若己知路面周圍流體溫度及其隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及二者之間的對(duì)流換熱系數(shù)B，則稱為第三類邊界條件，可表示為：

λ1∂T1∂z=B(Ta-T1)---(3.9)]]>

假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層接觸良好，層間完全連續(xù)則層間接觸上、下兩層的溫度T_i、T_i+1及熱流q_i、q_i+1是連續(xù)的，即在層間接觸滿足熱力學(xué)中第四類邊界條件，可用式3.10表示為：

λi∂Ti∂z|z=hi=λi+1∂Ti+1∂z|z=hi+1Ti|z=hi=Ti+1|z=hi+1---(3.10)]]>

其中：λ_i，λ_i+1——分別表示路面結(jié)構(gòu)第i層及i+1層的導(dǎo)熱系數(shù)；

h_i（i＝1，2,3，…n-1，n+1）——表示路面結(jié)構(gòu)第i層厚度，單位m；

地下道路路面溫度場(chǎng)有限元模型的建立：穩(wěn)態(tài)傳熱是指系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化；而瞬態(tài)傳熱的溫度場(chǎng)是隨時(shí)間變化的；在道路溫度場(chǎng)熱分析的過程中通常先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析確定瞬態(tài)熱分析的道路各結(jié)構(gòu)層的初始溫度分布，然后在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析計(jì)算出道路的溫度場(chǎng)，從而確定路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。