[發明專利]一種道路除冰鹽用量預測方法

有效

• 申請號: 201811288873.1
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109146208B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 但漢成;譚嘉偉
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/26
• 代理公司: 長沙歐諾專利代理事務所(普通合伙) 43234
• 代理人: 歐穎

1.一種道路除冰鹽用量預測方法，所述方法包括如下步驟，

步驟A：根據外界氣溫和外界風速的數據預測融冰過程的道路鹽溶液溫度變化趨勢；

步驟B：從步驟A中的變化趨勢得到除冰鹽融冰反應結束時的鹽溶液溫度；

步驟C：從步驟B中的鹽溶液溫度得到除冰鹽融冰反應結束時的鹽溶液冰點溫度；

步驟D：從步驟C中的冰點溫度得知融冰反應結束時刻的鹽溶液濃度；

步驟E：根據冰層厚度和待融化的冰層上表面積以及步驟D中鹽溶液濃度計算出除冰鹽的預測用量；

預測方法中假定除冰鹽融冰反應結束時的鹽溶液溫度與除冰鹽融冰反應結束時的鹽溶液冰點溫度相等；

在所述預測方法中通過有限元軟件COMSOL構建道路除冰鹽融冰過程的傳熱模型；

步驟A中，

在道路除冰鹽融冰過程中，冰層不斷融化，冰鹽體系中的冰的質量M_i隨時間不斷變化，其質量變化規律可由式(1)至式(4)表示：

m_if＝v_ifρ_ice (2)

m_il＝α_il(ρ_va-ρ_vs)θ_i (3)

其中：

m_if為單位時間內下雪導致的冰雪質量的增加量，kg·m^-2·s^-1；

m_il為單位時間內升華導致的冰質量損失，kg·m^-2·s^-1；

m_iw為單位時間內融化導致的冰質量損失，kg·m^-2·s^-1；

t為時間，單位s；α_il為升華系數；

f(t)為關于降雪量的函數，當有降雪時f(t)＝1，無降雪時，f(t)＝0；

v_if為降雪速率，m·s^-1；ρ_ice為道路表面冰雪密度，kg·m^-3；

ρ_va為空氣中水蒸氣的密度，kg·m^-3；

ρ_vs為道路表面水蒸氣密度，kg·m^-3；

θ_i表示冰的質量在整個包括冰、鹽溶液和固態鹽的冰鹽體系中的質量百分比；

v_ws為風速，取為常數，m·s^-1；

步驟A中，

道路除冰鹽融冰過程中，冰鹽體系中水的質量M_w隨時間變化規律如式(5)所示：

m_wf＝v_fwρ_w (6)

m_wl＝α_wl{ρ_va-ρ_vs(1-φ)}(1-θ_i) (7)

其中：

m_wf為單位時間內的降雨量，kg·m^-2·s^-1，

m_wl為單位時間內水的蒸發量，kg·m^-2·s^-1；

f(t)，關于降水的函數，當有降水時f(t)＝1，無降水時，f(t)＝0；

v_fw為降水速率，m·s^-1；ρ_w為水的密度，998kg·m^-3；

α_wl為水蒸發的體積系數；

v_ws為鹽溶液表面的風速，即道路表面的風速，m·s^-1；

φ為當前空氣濕度與飽和空氣濕度的比值；

隨著時間的變化，冰鹽體系中固態鹽的質量M_ss和液態鹽的質量M_sl隨時間變化規律如式(9)和式(10)所示，其中m_sl為單位時間內的溶解的固態鹽質量，kg·m^-2·s^-1；

考慮到除冰鹽溶解與否對傳熱過程有較大影響，整個傳熱過程可以根據除冰鹽溶解與否劃分為I階段與II階段兩個階段；I階段從投入除冰鹽開始至除冰鹽完全溶解結束，根據假設，除冰鹽鹽層將鹽水層與空氣隔絕，因此，I階段不考慮鹽溶液層與空氣的換熱及水的蒸發作用；

I階段鹽溶液層熱平衡方程建立如下：

式中：ρ_sw為鹽溶液的密度，kg/m³

C_sw為鹽溶液的比熱容，認為其恒定不變，J/(kg·℃)

V_sw為鹽溶液體積，m³·m^-2

T_sw為鹽溶液層的平均溫度，℃

q_sw為單位時間內鹽溶液層與鹽層的換熱，W·m^-2；

q_iw為單位時間內鹽溶液層與冰層的換熱，W·m^-2；

q_sl為單位時間內鹽溶解于水吸收的熱量，W·m^-2；

q_il為單位時間內冰融化吸收的熱量，W·m^-2；

其中：

上式中：λ_sw為鹽溶液的導熱系數，W·m^-1·K^-1；

λ_s為鹽層的導熱系數，W·m^-1·K^-1；

λ_i為冰層的導熱系數，W·m^-1·K^-1；

h_sw為鹽溶液層厚度，cm；h_sw＝0.425exp(-726/t)；

h_s為鹽層厚度，cm，h_s＝0.5-0.5t/1230；

h_i為冰層厚度，cm；

T_s為鹽層平均溫度，取為外界環境溫度，℃；

T_i為冰層平均溫度，℃；

r_c為熱通量阻值，取r_c＝0.6×10^-3m²KW^-1；

冰鹽體系中除冰鹽溶解熱通量可由下式表示：

q_sl＝m_sl·L_sl (14)

上式中：m_sl為單位時間內單位面積固態鹽的溶解量，與冰鹽體系溫度及鹽溶液濃度有關，根據道路除冰鹽融冰試驗結果，除冰鹽溶解速率可由式(15)表示：

m_sl＝7.174×10^-4kg·m^-2·s^-1 (15)

L_sl為單位質量固態鹽溶解所吸收的潛熱，有：

L_sl＝-3.88/(58.44×10^-3)kJ·kg^-1

冰鹽體系中冰層融化熱通量可由下式表示：

q_il＝m_il·L_il (16)

上式中：m_il為單位時間內單位面積融化的冰的質量，與冰鹽體系溫度及鹽溶液濃度有關，根據除冰鹽室內試驗結果，取為

m_il＝3400·exp(-726/t)/t²，kg·m^-2·s^-1 (17)

其中L_il為單位質量冰融化所吸收的潛熱，

L_il＝-335kJ·kg^-1

II階段為除冰鹽完全溶解至融化反應結束的階段，

與I階段不同，II階段由于固體除冰鹽溶解完全，鹽層消失，所以需要考慮鹽溶液層與空氣間的對流換熱和水蒸發所導致的換熱；II階段熱平衡方程建立如下：

式中：ρ_sw為鹽溶液的密度，kg/m³

C_sw為鹽溶液的比熱容，認為其恒定不變，J/(kg·℃)

V_sw為鹽溶液的體積，m³·m^-2

q_sw為單位時間內鹽溶液層與鹽層的換熱，W·m^-2；

q_iw為單位時間內鹽溶液層與冰層的換熱，W·m^-2；

q_il為單位時間內冰融化吸收的熱量，W·m^-2；

q_a為單位時間內冰鹽體系與外界空氣的換熱，W·m^-2；

q_wa為單位時間內水蒸發所吸收的熱量，W·m^-2；

q_a＝α_a(T_wis-T_a) (19)

上式中：α_a為鹽溶液與空氣的熱交換系數，與風速v_a有關，α_a＝10.4v_a^0.7+2.2，T_wis為鹽溶液的溫度，℃；T_a為外界氣溫，℃；

q_wa＝m_wa·L_wa (20)

m_wa為單位時間內鹽溶液中水分的蒸發速率，取為1.11×10^-5kg·s^-1·m^-2；水分蒸發潛熱L_wa取為-2260KJ/Kg。