温度场控制技术（共11篇）
温度场控制技术 篇1
在水利工程中由于施工面积大, 需要的混凝土体积也越来越多, 而大体积混凝土结构特点为施工难度大、体积大、表面系数较小, 使得混凝土产生裂缝的机率比较大, 一旦施工控制不严, 就会造成无法估量的损失。大体积混凝土产生的裂缝大多都是在浇筑过程期间由于温度变化而引起的。当气温突然降低时引起混凝土内外温度变化过大, 而产生较大的拉应力, 混凝土主要是以压应力大[1,2], 它的拉应力允许值是压应力的十分之一左右, 因此产生表面裂缝的主要原因是这些温度应力的存在[3,4]。为此, 在水利工程大体积混凝土施工过程中要做到控制裂缝的出现, 关键在于原材料的选取和配合比的优化, 并通过施工工艺的提高, 有效地减少温度应力和沉缩应力来控制混凝土的裂缝。
对大体积混凝土而言, 控制其温度应力, 防止和减少结构的裂缝, 从而提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能和耐久性是极其重要的[5,6,7]。实践经验证明, 在大体积混凝土表面铺设保温板是一种有效的温控防裂措施, 尤其是对于高寒地区以及受寒潮作用的大体积混凝土建筑物效果十分明显。本文以混凝土重力坝工程为算例, 采用等效表面散热系数法计算分析了无保温板条件下坝体的温度应力场, 进一步证明了大体积混凝土表面要铺设保温板对于防止表面裂缝的有效性。
1 工程简介
如图1所示建立的重力坝模型, 坝高100m, 下游坝面坡度1:0.7, 地基上、下游宽度分别取100、200m, 地基深度取200m, 上下游面取水平约束, 地基底面取固定约束, 坝体受自重和水压力作用, 上游河床受到水压力, 不计扬压力, 混凝土的弹性模量取21Gpa, 泊松比取0.167, 密度为2400kg/m3, 地基的弹性模量取20Gpa, 泊松比取0.17, 密度为2500kg/m3。给出计算图如图1:
2 基本资料
2.1 坝址气温和水温
坝址多年平均气温为2.8℃;极端最高气温40.1℃;极端最低气温-49.8℃;多年平均降水量为183.9mm;多年平均蒸发量为1915.1mm;最大积雪深75cm;最大冻土深175cm。本文在模拟过程中, 气温按照每个月的旬气温资料进行拟合, 水温随水深和旬气温变化。
2.2 碾压混凝土热力学参数
注:τ为混凝土的龄期, 以d为单位。
基岩及坝体混凝土热力学参数见表1。
混凝土浇筑层厚为0.3m, 总共浇筑高度为121.5m.
2.3 温度控制方案
混凝土浇筑采用自然入仓方式, 即不采取任何温控措施, 不埋设冷却水管, 混凝土表面不采取保温措施, 自然入仓方式的浇筑温度为旬平均气温。
3 温度场汁算结果分析
根据相关的资料和施工进度安排, 进行了施工期和运行期全过程温度场模拟施工期按每0.1d计算1次坝体温度场, 运行期计算了10a, 时间步长为0.05~20d时间步长。
从图2可以看出, 外界环境较低时, 加保温板进行养护, 效果更好。通过计算可知, 采用自然入仓的方式浇筑, 浇筑温度为旬平均气温, 不采用任何温控措施, 坝体各部位最高温度均超过规范允许最高温度。
从图3可以看出, 坝体表面典型点 (上游表面点) , 其温度受外界环境温度影响较大, 在混凝土浇筑之后, 其温度先升高, 然后开始下降, 并且随外界环境温度呈简谐变化, 当水库蓄水后, 典型点温度为水温。
4 结论
水利工程中由于施工面积大, 需要的混凝土体积也越来越多, 而大体积混凝土结构特点为施工难度大、体积大、表面系数较小, 使得混凝土产生裂缝的机率比较大, 一旦施工控制不严, 就会造成无法估量的损失。本文结合某混凝土重力坝工程, 采用等效表面散热系数法计算分析了坝体的温度场、应力场, 得出结论如下:
⑴为避免产生基础贯穿裂缝, 对坝基灌浆区域应加强养护和防止裂缝措施。
⑵由于环境温差大, 因此计算坝体温度高, 各部位均超过规范允许温差要求, 所以要采取其他的温控措施, 如预冷骨料、通水管冷却等。
摘要：由于坝体在施工过程中, 常因温度应力超过混凝土抗拉强度而使坝体产生裂缝, 根据计算实例来分析大坝的温度应力问题, 利用限元软件ANSYS进行模拟, 对水电站坝体的一个坝段施工期的温度场、温度应力进行了模拟。结果表明:坝体基础常态混凝土垫层部位在外温变化及基岩约束双重作用下, 出现了较大的拉应力。混凝土表面铺设保温板后, 降低了外界温度对混凝土的影响, 垫层部位的最大应力有所减少。由此可见, 混凝土表面铺设保温板是降低温度应力的有效措施。
关键词：重力坝,大体积混凝土,施工期,表面保护,温度应力
参考文献
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温度场控制技术 篇2
考虑到秦岭地形对温度场的影响因素,以主分水岭为界分为南北两部分,在普通插值的基础上,采用一种基于DEM的辅助插值方法,同时考虑秦岭南北坡坡向的差异,对秦岭的温度场进行了模拟.采用气象观测站点数据和格网精度为100 m的DEM数据,利用GIS空间分析方法,模拟了秦岭的温度场,并对模拟结果进行了交叉验证分析.实验表明,基于DEM的`秦岭温度场模拟,结果较精确地反映秦岭山地的温度场分布特征,同时验证了秦岭对南北气温具有明显的分异作用和气候效应.
作 者：莫申国 张百平MO Shenguo ZHANG Baiping 作者单位：莫申国,MO Shenguo(重庆工商大学旅游学院,重庆,400067;中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101)
张百平,ZHANG Baiping(中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101)
温度场控制技术 篇3
【关键词】汽车；空调系统；气流调节；舒适度
一、汽车中空调系统与驾驶舒适度之间的关系分析
在上文当中已经说明，现代科学技术的飞速发展和国家改革开放以后人们生活水平的大幅提高都是导致人们对于生活舒适度要求越来越高的主要原因，而人们生活的舒适度体现在生活当中的方方面面，出行更是非常关键的一个部分，自然是得到了人们高度的关注和重视，主要就体现在现代私家车的不断增多。私家车带给人们的不仅仅只是出行上的便利性，更是身份地位上的象征以及对美好生活的感受，正是因为这样，人们对于车辆的具体要求也就不仅仅只局限于质量和安全性上，而是进一步希望能够具备更加良好的行车享受，这样一种享受的体现和满足就正是通过汽车内空调系统的温度调节和气流控制来实现的。
基于上述需求，相关方面的设计人员基于这样一种环境额营造，结合国外在这样一个方面上的选择，同时综合性考虑到车窗以及车壁等可能造成的辐射热，最终制定出了符合我们国家实情的汽车内部空调温度，具体来说，夏季空调为23℃左右，冬季为20℃左右，这主要是考虑到车内温度不能够与环境温度差距太大，否则就会因为下车时过大的温度差而造成严重的不适应，一般来说，环境与车内部的温度差应当控制在10℃以内即可，基于此就不难看出汽车的实际舒适程度与汽车内部的空调系统以及气流调节系统有着莫大的关系。
在当今社会环境下，汽车行业内的竞争越来越激烈，在这样一种严峻的形势下客户体验的关注与满足就成为了汽车企业在竞争激烈的态势当中脱颖而出的关键性问题。汽车制造商、各个单位以及企业都希望有更大的市场和更大的利润空间，因此也把廉价、安全、舒适汽车的制造当做是最为关键的方向，希望能够通过技术引进或者是技术创新来开拓新的思路，通过空调系统的优化和气流调节作用的保障来为用户提供更好的行车舒适感，在实际的市场环境下，也只有这样一种站在用户立场上进行优化和改进的方式才能够真正得到用户的忠实度，从而保证相对稳定的用户群。
二、汽车空调控制系统的结构分析
在汽车当中，电子空调控制系统主要由八个大的部分所共同组成：控制器、车内外温度传感器、日照传感器、湿度传感器、鼓风机速度控制模块、执行器和水温传感器。在这其中，控制器最为核心和关键，这主要是因为在控制器当中多方面的包含着数据存储器和中央控制器等非常重要的部件，这样一些部件以及其对应的重要路线的存在使得中央控制器成为了电子空调控制系统的心脏。车内外温度传感器则是为了检测车厢外的大气环境温度或者是车内部的实际温度，在这其中，车外温度传感器起作用的机理就是能够对各种标准以及温控次要参量进行显示，车内温度传感器起作用的机理则是能够对各种标准和温控主要参量进行显示。日照传感器在车内的位置是仪表盘上部，其作用机理是通过对太阳光强的检测来相应的进行温度补偿，从而起到调节和控制车内实际温度的作用，这样能够在稳定控制室内温度的同时起到节能的作用。湿度传感器顾名思义就能够对汽车内部的湿度状况进行检测，湿度对于人的舒适性感受影响非常明显，因此这样一种检测对于车内人的舒适也起到了非常重要的作用。鼓风机则主要是通过场管效应这样一种性质来发挥作用。执行器功能有三：一是内外循环执行器起隔离作用，二是出风模式执行器起连接空气作用，三是温度混合执行器起调节温度的作用。最后就是水温传感器，水温传感器实际上主要是在冬季进行应用，其应用目的是希望有效避免热值不足时冷风对车内人员的伤害。
三、汽车空调系统中温度与气流的调节控制技术分析
在对汽车内空调系统温度与气流的控制与调节进行分析和说明时，往往需要基于以下两个方面的具体内容来进行：一个方面就是对鼓风机实现良好的控制作用，另一方面则是需要同时对温度混合控制器实现良好的控制作用。下文当中逐一分析说明之。在汽车空调系统当中，鼓风机主要是促进车内外空气的迅速循环流动，因此一方面是能够使得温度调节的效果更好，另一方面是能够使得汽车内部的溫度更加趋近于稳定和均匀，不发生骤升或者是骤降的不良状况。针对于此我们得到的重要结论就是鼓风机的转速在目标温度值和检测温度值的差值较大时更大。
汽车内部空调进行必要的温度调节作用是通过冷媒来完成的，如自压缩机或者是用于冷却发动机的循环水等，这样一些冷媒就正是汽车内部空调运行的重要动力。总而言之，我们可以看到的是，实际情况下ECU在对温度混合器的不同开度进行控制与调节时都是基于这样一种冷与热的比例调节来完成的，通过这样一种方式来实现汽车内部温度的调节和控制。其基本原理阐述如下：在对该原理进行分析和理解前首先要对控制算法有所认识，电压信号作用于执行器电机驱动的芯片，这样一个过程是通过电压转换处理等方式来实现和完成的，上述芯片在接收到信号作用以后其功率就会相应的增大，并再次进行电压转换过程，最终通过上述过程来实现对于混合风门的控制作用。在此过程当中执行器电机会对执行器位置进行反馈作用，通过这样一种反馈来实时形成执行器位置控制系统。在这样一种设计状态下，芯片甚至还能够进一步发挥出警惕和保护的作用，这主要是因为芯片本身遭遇负载电流等不良故障的时候会相应的发出警报。实际上，在此过程和环节下我们还可以利用执行器位置的目标值来进行有效的简约计算，其主要目的就是希望能够得到执行器在实际工作环境下的调节方向。
结语
通过上文当中的分析和说明就可以看到，现代社会条件下产品在个性化需求以及生命周期越来越短等当面表现的日益突出，在这样一种现实的状况和背景之下，汽车舒适程度与空调系统关系的探讨和处理已经成为了汽车行业内竞争的核心竞争力，因此我们需要在高度重视这样一个方面的同时采取良好的措施处理好这样一些方面的问题。
参考文献
[1]刘克.汽车空调系统中温度和气流调节的控制[J].机电技术，2007（2）
温度场控制技术 篇4
加热炉是轧钢生产线的关键设备之一, 炉内温度场具有很强的时空耦合特性, 任意某点的温度变化都将引起整个温度场的波动, 使其偏离理想的加热曲线, 必须通过动态补偿进行实时调整[1]。文献[2, 3]以理想加热曲线为基础, 采用分段PID调节为主和专家经验为辅的方法对加热炉温度场进行动态补偿。文献[4, 5]提出了一种带有前馈修正的炉温模糊控制器;文献[6]考虑加热炉温度场的分布参数特点, 提出了一种分散推理结构的模糊控制方法。然而这些方法都只是对加热炉炉温进行局部的检测调整, 无法实现温度场的全局稳态控制。
本文基于时空耦合模糊集理论提出了一种基于空间加权的加热炉温度场时空耦合协调模糊控制方案, 其特征在于:在每个炉温控制点设置一个时空耦合模糊控制器, 以加热炉温度场在一维空间的偏差及偏差变化率分布作为控制器的输入, 根据各炉温检测点与炉温控制点的耦合影响程度确定各检测点的空间加权因子, 最后推理输出获得各控制点的炉温补偿量。上述控制方案, 在每个控制点都考虑了整个温度场的偏差及偏差变化率的空间分布信息, 为温度场平稳的恒定到理想加热曲线提供了保证。
1 钢温预测模型及加热炉温度场优化
实际生产过程, 钢坯在加热炉中是一个步进移动式加热过程, 无法在线实时检测钢坯的温度, 只能通过检测炉温, 采用炉内钢坯温度预报模型间接测量控制炉内钢坯加热过程。采用移动坐标系方法可获得炉内钢坯预报模型为[7]:
考虑到生产工艺对钢坯加热质量和节能要求, 可建立炉温稳态优化性能指标函数:
在满足约束条件下, 采用全局寻优法确定最优炉温分布Tf (z) , 使其满足:
2 加热炉温度场时空耦合模糊动态协调补偿控制策略
2.1 时空耦合模糊集
加热炉内部温度场是一个连续的空间时滞系统, 空间某点的温度T (z i) 既受该点之前空间点温度T (z j) (j (27) i) 的影响, 同时也影响该点之后空间点的温度T (z k) (k (29) i) 。为了协调整个温度场的平衡控制, 每个控制点都必须对温度场的全局空间误差分布信息进行考虑, 以便对控制点温度补偿量 (35) T (z j) 进行决策。
由于输入信息是呈空间分布, 故在传统二维模糊集控制策略上增加了空间维, 如图1所示, 构成时空模糊集:
其中:fz (x) 表示时间隶属函数, fx (z) 表示空间隶属函数。
2.2 加热炉温度场时空耦合模糊控制器设计
时空耦合模糊控制器各部分设计如下:
1) 时空模糊化。时空耦合模糊控制器的输入为加热炉温度场的偏差e (zi) 及偏差变化率e (5) (z i) 分布, 输出为控制点加热系统的补偿量 (35) Uj。输入采用三角形隶属度函数, 输出采用单点时间隶属度函数。输入论域E (z) , R (z) 取为:[-3, 3], 对应的输入模糊子集分别为:NB (负大) , NM (负中) , NS (负小) , ZO (零) , PS (正小) , PM (正中) , PB (正大) 。
时空耦合模糊输入表示为:
式中“*”表示t-norm操作。
2) 规则库。基于两输入单输出的时空模糊控制规则为:
式中1C和2C为输入时空模糊集, G为输出时空模糊集。对任意空间位置z, 输出论域为:[-6, 6], 对应的输出模糊子集分别为:NB (负大) , NSB (负稍大) , NM (负中) , NSM (负稍中) , NS (负小) , NSS (负稍小) , ZO (零) , PSS (正稍小) , PS (正小) , PSM (正稍中) , PM (正中) , PSB (正稍大) , PB (正大) 。
根据实际操作经验和专家知识可得到模糊规则, 如表1所示。
式中“”表示合成运算, 采用极大极小值方法。
隶属度函数为:
5) 解模糊化。经空间降维后, 得到传统的模糊集。采用“center-of-set”解模糊化运算, 其输出表达式如下:
式中clU表示所触发规则Rl (l (28) 1, 2, , L) 结论集Gl的中心值, L表示触发规则总数。
2.3 空间加权因子设计
因子计算公式如下:
3 炉温控制模拟
本文以规格为240mm240mm3500mm的钢坯为例, 钢坯初始温度为20℃, 其目标出炉温度按工艺要求为1130℃。用现场测试数据对模型进行仿真实验, 结果如图4所示。炉温控制稳定, 仿真预测值与理想期望值吻合很好, 表明此控制方案合理, 符合工艺要求。
4 结论
本文提出一种基于空间加权的加热炉温度场时空耦合协调模糊控制方法, 通过对加热炉整体温度场的分布及其变化趋势进行空间加权和时空模糊推理, 获得每个控制点的温度补偿量, 实现了钢坯加热过程稳定的动态温度补偿控制。
参考文献
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温度场控制技术 篇5
入口温度剖面对喷管流场结构的影响
应用质量平均的Navier-Stokes方程和B-L代数湍流模型,对超燃冲压发动机尾喷管的流场进行了数值模拟研究.在计算过程中,对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用了二阶中心差分离散.通过数值模拟,对比研究了温度非均匀性、三维效应对尾喷管的.流场结构的影响.
作 者：王晓栋 乐嘉陵 作者单位：中国空气动力研究与发展中心,四川,绵阳,621000刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY年，卷(期)：23(4)分类号：V233.7关键词：高超音速冲压发动机 喷管气流 流动分布 数值仿真 纳维尔-斯托克斯方程
温度场控制技术 篇6
贯穿整个2014年展览活动的是高鹏提出的“温度感”，借此年终特刊，我们采访了这位“最年轻的馆长”，听他回顾2014年的温度感，了解2015年的人文关怀，以及整个未来五年的“未来馆”公共空间的打造计划，我们有理由相信这个有了自己主张和态度的美术馆，会成为一个更大的艺术和生活平台。
2014：温度、能量、表达和引导
东方艺术·大家：在掌舵今日美术馆之后，为什么要提出“温度感”这个概念呢？
高鹏：这来自于两个方面。一方面是社会的温度感，另一方面则是艺术带给我的温度感。我大概从四五岁开始，家里就安排我开始学画画了，到现在已经过去快30年了，我还坚持在艺术领域里面工作，是因为我觉得艺术的本源是需要一种温度感的，它可能是冷的，也可能是暖的；而且艺术要有能量，这种能量是相互的，它给予我能量，我也给予它能量；还有很重要的一点，是我们可以通过艺术来表达自己内心最真实和柔软的那部分感受，如果觉得不能够表达的时候，那我们就不会从事艺术行业了。
温度感和能量，也是促使我不断向前行走的源动力。所以我在任职馆长之后，我也希望通过自己的工作让美术馆回归到温度和能量的本源中来。对我来说，在美术馆的工作不仅仅只一份职业，艺术才是最重要的，我可能终生都会在这个系统里去寻找自己。
东方艺术·大家：在组织不同类型展览的时候如何把握“温度感”的延续性呢？
高鹏：2014年初今日美术馆的答谢晚宴是一个改变的节点。因为之前每年安排重要嘉宾的排桌次序都很伤脑筋，而这种秩序的安排也无形中增大了人和人之间的距离感。所以在那次答谢晚宴上，我们没有设置所谓的VIP专区，不论是受邀的明星、艺术赞助人、各使馆大使参赞还是艺术家等，没有人高高在上，谁都可以自由地走动和交流，而穿插在晚宴现场的乐队表演等活动，则无形中成为了吸引大家彼此交流的聚集点，每个人都在以自己的方式参与到一次艺术化的晚宴中来，这种看似松散实则有序的和谐状态，是2014年今日“温度感”的开端，也得到了每个参与者的认可。
之后就是“今日，我们拥抱13’14””的大型公益活动。这个活动最初的想法只是针对美术馆的员工们来举办的，因为大家虽然每天在一起工作，但彼此之间的情感交流却很少，我希望大家能够进行一次十三分十四秒的拥抱，通过身体的接触来传递彼此心灵的温度，时间也定在了情人节的前夜。但后来又想，这种心灵的温度的交流不应该只是局限在一个很小的圈子里，不论你是否理解当代艺术，人与人之间的戒备感和距离是可以通过肢体接触的方式来消弭的，如果两个陌生人在一起拥抱十分钟以上，他们是可以明显地感觉到对方的温度的，其中也包含着彼此间传递出的信任与放松。所以我最终还是决定将它做成一个面向公众的项目：仅仅是通过一个简单的行为，让不同的人感受到艺术离你其实并不遥远，艺术的最终目的也是要不断地拉近不同心灵间的距离。
厉槟源的“谁的梦”，是一个邀请大家到美术馆睡觉和做梦的、开放性的项目。它也改变了公众对于美术馆功能的原有认知：一座美术馆不仅只是在墙壁上挂满画，或在空间中摆满雕塑，它的功能是可以跟人们的日常体验紧密联系在一起的。不论是第一次走进美术馆的人，特别是那些第一次走进美术馆的小孩子，这个项目都会给他们一种不一样的提示：艺术不仅仅是坐在板凳上画几个小时，和遥不可及的绘画作品默默对视，原来在美术馆里是可以打滚和睡觉的，这会给那些原本对艺术感到陌生的观众一种新的艺术观。
2014年5月崔岫闻的项目则融合了多种艺术表现形式，包括行为、声音、舞蹈、演唱等等，去多层次地表达人的七层爱欲；而在之后Hannes的展览中，互动性的引入也能够让观众更多地体验到艺术的乐趣，如每个人都可以把自己手机里的照片发送到这个大型装置的互动界面中，其实当代艺术的温度感在很多时候，也是在这种“你中有我，我中有你”的交流过程中产生的，同时这个项目也得到了UBS的赞助。在这些与以往不同的项目中，你会发现观众也变成了艺术主体的一部分，而艺术家也从传统的角色中慢慢剥离出来，他（她）不再是艺术中唯一的中心，而是通过自己的工作为更多的人提供一个个具有温度感的互动平台。
2014年9月举办的“声觉·朱哲琴声音艺术展”，也是我对打开艺术维度的一种思考。因为当代艺术发展到今天，除了用眼睛看到的视觉作品之外，我们很少会刻意来开发自己的耳朵，而朱哲琴的项目则是将声音作为建筑，在美术馆里搭建起一种多变的听觉结构。在这个项目结束之后，我碰到很多原本做音乐的艺术家，通过朱哲琴的项目，他们也开始意识到除了做单纯的音乐之外，声音原来也是可以跟美术馆和当代艺术等领域产生更多的互动。
除了上边提到的几个展览之外，今日美术馆在2014年的很多项目中体现出了“温度感”，“能量”和“延展”的特点，就不一一列举了。而在这些线索之中“温度”是最重要的主线，我认为只有当一次展览或一个项目具有了“温度感”，它才会吸引更多的人走进它，并且从中感受到艺术独特的能量与魅力。
2015：“甘地”加“火箭”、人文关怀与未来空间
东方艺术·大家：2015年的今日美术馆会有哪些方向上的调整吗？
高鹏：我想到的不单只是2015年，而是未来五年的一个整体规划。后边会有两条主线，一条是行政主线，一条是展览和学术的主线。前者是继续规范美术馆的日常工作，例如2014年我们应该是国内所有美术馆中首家跟保险合作的，为所有的馆藏作品购买了保险。在未来还会跟更多的大型国际机构进行合作。我们也按照国际规范在年底出了美术馆的年报，所有重要的美术馆都是这么来做的，公布自己过去一年所做过的项目和收入等，明年会在这个基础上更加规范，包括国际理事成员的加入，组织结构和人员架构的进一步明晰等。
关于学术和展览的主线。我认为艺术在未来会有两个走向：一个是未来学者阿尔文·托夫勒在七八十年代提出的 “甘地”加“火箭”：“甘地”代表着最朴素的情感，好艺术一定是走向人内心中最朴素、最本质的情感表达的；而对当时的他来说“火箭”代表着未来的高科技，艺术在与当下紧密联系在一起的同时，也始终是面向未来的。2014年的主线是温度，明年我们有个口号：人文关怀和未来。在强调艺术与人本体关系的同时，也会突出更多面向未来的或具有科技感的项目和展览等。
温度场控制技术 篇7
掘进巷道的气象参数的准确是实现对掘进巷道环境有效控制的前提。空调设计的基础是建立在所获得的气象数据的准确性上,如果获得的初始数据不准确,无论用的设计方法多么先进,都不可能准确达到预期的设计目的。由于掘进巷道中的环境参数变化复杂多变,传统的测量方法已经不能满足设计的需要,而且设计的成果不能预先的描绘,干枯的数字不能给出直观的影响,C F D技术完美的解决了这一点。
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展,这门学科己相当成熟,成熟的一个重要标志是近十几年来,各种CFD通用性软件包陆续出现,成为商品化软件,为工业界广泛接受,性能日趋完善,应用范围不断扩大.至今,CFD技术的应用早已超越传统的流体力学和流体工程的范畴,如航空、航天、船舶、动力、水利等,而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了。
2、基于CFD技术的Fluent软件
Fluent的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度,稳定性和精度等各方面达到最佳。不同领域的计算软件组合起来,成为CFD软件群,从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。这些不同软件都可以计算流场,传热和化学反应。在各软件之间可以方便地进行数值交换。由于囊括了Fluent Dynamic International比利时Polyflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部技术力量,(前者是公认的在粘弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,而后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司),因此FLUENT软件能推出多种优化的物理模型,如定常和非定常流动;层流(包括各种非牛顿流模型);紊流(包括最先进的紊流模型);不可压缩和可压缩流动;传热;化学反应等等。Fluent提供了灵活的网格特性,用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题,可生成三角形单元网格和四边形单元网格;对于三维问题,提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。Fluent还允许用户根据求解规模、精度及效率等因素,对网格进行整体或局部的细化和粗化。对于具有较大梯度的流动区域,Fluent提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。
3、Fluent软件的构成核心
Fluent软件的构成核心是基本解法、离散格式与物理模型。纳维-斯托克斯方程组的求解模块是Fluent软件的核心部分。纳维-斯托克斯方程组对于不可压缩流体与可压缩流体的流动所表现的不同性质导致解法上的差别。对于低速不可压流动,如不考虑温差引起的浮力效应,连续方程与动量方程便可构成封闭方程组,由一定的压力分布通过动量方程即可解得速度场。但速度场必须满足连续方程的约束,而连续方程与压力却没有直接关系,从而导致求解的困难。Fluent采用压力校正法,即SIMPLE方法作为其低速计算模块。离散方法采用有限体积法(FVM)。Fluent软件提供多种优化的物理模型,如定常和非定常流动;层流(包括各种非牛顿流模型);紊流(包括最先进的紊流模型);不可压缩和可压缩流动;传热;化学反应等等。本文用到的是紊流模型中的二方程模型(k-ε模型)。
1. 有限体积的离散化方法
有限体积法(Finite Volume Method)又称为控制体积法(Control Volume Method)其基本思路是:将计算区域划分为网格,并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积:将待解微分为一程(控制方程)对短一个控制体积积分,从而得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量φ。为了求出控制体积的积分,必须假定φ值在网格点之间的变化规律。从积分区域的选取方法看来,有限体积法属于加权余量法中的子域法,从未知解的近似方法看来,有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之,子域法加离散,就是有限体积法的基本方法。
2. SIMPLE算法
SIMPLE是英文Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations的缩写,意为“求解压力耦合方程组的半隐式方法”。该方法由Patankar与Spalding于1372年提出,是一种主要用于求解不可压流场的数值方法(也可用于求解可压流动)。它的核心是采用“猜测—修正”的过程,在交错网格的基础上来计算压力场,从而达到求解动量方程(Navier-Stokes方程)的目的。
3.两方程模型(k-ε模型)
两方程模型是在一方程模型的基础上,新引入一个关于湍流耗散率ε的方程后形成的。该模型是目前使用最广泛的湍流模型。
4、使用FLUENT模拟掘进巷道温度场
1.进口边界
进口边界的速度、温度、流量和浓度按实测或设定值给出,湍流动能kin和湍流动能耗散率εin一般不易直接测定,且对计算结果影响不大,常取湍流平均动能的一个百分数,如当入口处为圆管的充分发展湍流时,可取0.5~1.5%。湍流动能耗散率εin通过给定的湍流动能kin来计算,采用下列近似公式:
2. 风流出口边界
按照计算流体力学和数值传热学的方法,出口边界采用局部单通道坐标假定[2],即在出口边界上网格节点的参数值对于出口边界网格内侧最邻近节点上的参数值无影响。只给定流场压力P的标定值。进、出口位置设在无局部涡旋流处,流线方向与出口界面垂直,流场大气压力以外,各变量在进出口界面沿流动方向的梯度为0。
3. 一般固体壁面的边界条件
一般固体壁面假定为不可渗透壁面,采用无滑移边界条件,即时均速度和脉动速度的各个分量值均为零,湍流动能耗散率ε为一有限值[4,3]。湍流动能k方程采用在壁面处扩散通量为零的边界条件。
4. 二维网格划分
风筒相对于掘进巷道的体积比较小,因此对风筒部分网格划分相对掘进巷道的划分要细密些。总共生成了7290个网格,14836个表面,7546个节点。见图1。
5. 温度场模拟
初始条件,送风速度1 5 m/s,掘进机功率222kw,围岩温度35℃,送风口布置在巷道顶端,风筒规格φ600,迎头有效风量214m3/min,封口布置在距掘进头3 0 m处。得到图像如下:
由图可见:
(1)距送风口越近,温度越趋近送风温度。
(2)同一竖直面上,靠近棚顶方向的温度要高于靠近地面的温度。
(3)送风口距离掘进头2 0米处时,温度变化不明显,绝大部分温度低于2 0℃。
(4)送风口距离掘进头5 0米处时,距离掘进头20米处的温度就超过30℃。
送风口布置在掘进头35米处时,既达到降温的效果,还满足舒适度的要求。
5、结论
运用Fluent软件可以比较准确的模拟掘进巷道的空调制冷温度场,为合理的设计空调制冷系统提供可靠的数学依据,描绘直观的设计模型,避免繁琐的测量与实验。对矿井降温系统的研究有重要的参考价值和帮助。
参考文献
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温度场控制技术 篇8
关键词：公路工程,水泥混凝土,路面裂缝,温度场
1 温度对水泥混凝土路面裂缝的影响
水泥混凝土路面施工中, 路面的裂缝问题相当普遍, 而早龄期水泥混凝土产生裂缝的相当大一部分原因是混凝土的温度变化而引起的温度裂缝。温度裂缝是指由于混凝土体存在温度差, 再加上水泥混凝土的热胀冷缩特性导致结构各处变形不协调而产生的裂缝。
在混凝土的凝结过程中, 混凝土内部温度比较平缓, 而混凝土路面和路面边沿与外界接触面积较大, 路表面温度主要由外部温度决定。混凝土路面表面在白天接受日晒温度升高到了晚上温度会降低。昼夜的温差很大, 产生温度的变化会使混凝土路面产生收缩和膨胀, 加之混凝土初期强度偏低很容易产生裂缝。总体来说, 由于温度应力产生裂缝的原因主要有以下几点:
(1) 混凝土硬化期间水泥放出大量水化热, 内部温度不断上升, 在表面引起拉应力。后期在降温过程中, 也会在混凝土内部出现拉应力。
(2) 气温的降低也会在混凝土的表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超过混凝土的承受荷载的时候就会出现裂缝。
(3) 许的混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢, 但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不到位、时干时湿、表面干缩形变受到内部混凝土的约束, 也往往导致裂缝。
(4) 由于原材料不均匀、水灰比不稳定, 以及运输和浇筑过程中的的离析现象, 在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的, 存在着许多抗拉能力很低, 易于出现裂缝的薄弱部位。
通过以上分析可知, 要想进一步研究路面温度裂缝的产生与发展, 其根本在于准确了解水泥混凝土内部及其所处环境热量的产生、释放与传导的规律, 从热量角度揭示水泥混凝土路面的裂缝的发生与开展, 并指导实际设计与施工, 减少因温度因素导致的裂缝产生。
2 水泥混凝土路面早龄期温度场研究
水泥混凝土路面直接暴露在大气之中, 一年四季大气温度和太阳辐射周期性的变化以及每一天白昼黑夜气温的变化, 使得路面结构产生不稳定的热传导, 同时其内部早期在各种复杂水化反应中热量的产生、释放和传导都具有不均匀性, 所以路面结构内部温度场的分布状况也不是均匀和不稳定的, 无论是在空间上还是时间上都是一个复杂的变化过程, 这些作用的结果直接体现为路面温度场的复杂分布。
路面早龄期温度场受到水化作用和环境条件的相互耦合作用, 存在一个发展演变的过程, 早龄期温度场随环境变化呈周期性波动, 但由于水化热的作用, 水泥混凝土路面前24h或前36h温度场显著高于后期。现场条件下混凝土水化期间, 混凝土温度发展是胶结材料水化热释放和结构与周围环境的热交换平衡的体现, 具体表现为受以下三个方面的影响:
2.1 混凝土水化热
水泥混凝土水化各因素之间的相互作用非常复杂, 水泥组分、水泥细度、水泥用量、水灰比、矿物掺合料和化学外加剂的存在以及水化初始温度均影响着水化热。
2.2 环境影响
水泥混凝土外部环境条件昼夜循环波动, 诸如气温、风速、相对湿度、太阳辐射、云量等参数值不断变化, 水泥的水化反应受其所处环境状态影响强烈。
2.3 热交换
现场混凝土铺筑好后, 热量就会从混凝土传入环境或从环境传入混凝土, 热传递也对水泥混凝土内部与表面温度有着较大影响。
福州大学胡昌斌教授等人通过选择福建省不同地区、结构和季节, 进行了早龄期温度场现场监测试验研究, 研究选取确定水泥水化放热、环境变化、热交换这3个方面的模型和参数, 采用有限差分法编制了水泥混凝土路面早龄期温度场数值模拟程序, 并通过现场足尺路面板早龄期与长期温度场监测试验, 室内小板试验调试验证了模型和程序。
为保证数值模拟的准确性和适用性, 研究选择我国学者建立的环境气象参数模型, 材料参数取值考虑国内材料特性, 通过选择环境参数与热交换模型、水泥水化放热模型等综合考虑气温、对流换热、辐射、混凝土表面水分蒸发吸热、水化放热等多个因素在内各参数, 编制出温度场显式差分方程, 它受到空气的对流换热、太阳辐射、水分蒸发和节点内部热源的影响。对流边界节点即混凝土路面板顶部节点热平衡方程为:
式中:Fo为内热源强度;λ为热导率;△τ为时间间隔;i、j为节点编号;△x为相邻节点间距。
胡昌斌教授等人通过上述数值仿真模型拟合与现场铺筑路面的早龄期温度对比验证结果发现, 路面板各深度的早龄期温度的拟合准确度都较好, 水泥混凝土路面早龄期温度场的温度预估程序准确性总体较好, 通过参数敏感性分析可以发现:除路面材料结构参数、水泥组分、水泥用量、水灰比、面板厚度外, 对混凝土早龄期温度场有显著影响的还有铺筑时间、环境温度、太阳辐射强度、风速、养护方式、混凝土摊铺温度, 以及受混凝土龄期显著影响的路面辐射吸收率、面板导热系数等因素。
3 防止水泥混凝土路面早期温度裂缝的措施
通过以上分析可知, 为了防止混凝土的温度裂缝, 减轻温度应力的不利影响, 从温度控制的角度, 可从以下几方面措施控制水泥混凝土路面裂缝的发生:
(1) 掌握好浇筑时间段, 避免极端天气作业。环境条件对水泥混凝土路面早龄期温度有非常显著的影响, 不同时间段施工的路面混凝土的生长环境有很大不同, 因此, 选择时间段可以显著调节路面板施工浇筑期间温度。
炎热夏季施工路面, 混凝土的浇筑可选择在早上或是傍晚施工, 并且在浇筑混凝土减少浇筑混凝土的厚度, 充分利用浇筑层面散热;砂石料应设遮阳篷, 宜采用地下水拌合混凝土, 以降低混凝土温度;掌握合理的拆模时间, 气温骤降时采取表面保温措施, 气温升高时采取内部降温措施, 以免混凝土表面发生剧烈的温度梯度而产生裂缝;应尽量避免早晨施工时段导致的混凝土水化热与中午天气出现的叠加升温效应。
寒冷冬季施工路面, 应依靠水泥水化来增强混凝土的强度, 适当提高拌合水温, 迅速完成水化作用, 加快混凝土的强度增长;施工过程中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构, 在寒冷季节采取保温措施;使用挡风板降低风速, 降低温差, 减缓水分蒸发速度, 避免裂缝的发生。
(2) 加强水泥路面施工后的养护。养护可以显著调节路面板温度, 不同养护方式下路面温度的高低次序为养生剂或薄膜养护、无养护、黑色土工布洒水养护、白色土工布洒水养护;水泥混凝土终凝后即覆盖洒水养护, 防止水分丧失过快, 产生干缩裂缝;养护时间由水泥混凝土强度增加情况而定, 不得少于7d;高温夏季施工, 洒水养护对路面早龄期温度场来说是有利的, 低温冬季施工, 覆盖薄膜或养生剂养护对路面早龄期保温性有利。
(3) 优化水泥混凝土路面选用材料。材料参数对路面早龄期温度影响显著性稍弱, 但仍有一定的调节作用。对于夏季施工路面应选择低水化热的水泥, 而冬季施工路面可选择高水化热的水泥;在不影响力学性能的前提下, 夏季铺筑路面的颜色尽量控制为灰白色, 而冬季路面可为深灰色;夏季路面应选用低水泥用量、低水灰比的混凝土, 冬季与之相反;采用改善骨料级配, 用于硬性商品混凝土掺混合料加引气剂或塑化剂等措施以减少商品混凝土中的水泥用量。
4 工程实例
项目名称:国道G106线从化学田至西瓜地段路面改造 (K2404+446~K2415+235) 。本项目起点位于广州市与清远市交界处, 终点位于西瓜地, 起点桩号为K2404+446, 终点桩号为K2415+235, 路线全长10.789km。国道G106线K2404+446~K2414+300段为本项目其中一段, 等级为公路一级, 设计时速为60km/h, 路面宽度29.5m, 为双向六车道。全线路面破损较为严重, 对行车安全性及舒适性影响较大。本项目主要工程量为对旧路面进行病害整治、更换破碎板、修复旧路沥青混凝土路面、加铺沥青混凝土面层等 (其中水泥混凝土路面破板修复2.974km) 。
本项目K2411+605~K2411+655右幅第二车道为水泥混凝土路面补板破除重建施工, 于2015年6月7日~6月8日开始浇筑水泥混凝土路面施工, 期间通过洒水与覆盖土工布或草帘保湿养护, 施工期间本项目所在区域午后最高气温可超过35℃。现场监督抽查发现, 此里程路段水泥路面施工终凝后出现多道明显的路面裂缝, 最长一道约60cm, 宽度约0.5~1mm, 如图1所示。通过现场观察、凿除表面混凝土, 并采用路面抽芯验证, 结果证明均为水泥混凝土干缩导致的表面裂纹, 其深度分布约0.5~2mm之间。
后期施工过程中通过调整混凝土浇筑施工时段, 错开施工水化放热与气温升高同步、加大路面洒水养护频率、加强施工控制水泥表面浮浆厚度等措施, 有效地减少了混凝土表面干缩裂纹的发生率, 较大提升了水泥混凝土路面的施工质量。
5 结语
综上所述, 混凝土的温度裂缝问题可通过研究水泥混凝土路面早龄期温度场分布, 采用现场实测与数值拟合分析的手段验证, 进一步分析研究其受外部条件和材料参数影响, 如气温、太阳辐射、水泥水化热、铺筑时间、养护方式等, 指导施工工艺改善, 混凝土材料选择, 路面板厚度设计, 混凝土摊铺温度控制等, 减少当前水泥混凝土施工中因温度因素而引起的裂缝。
参考文献
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温度场控制技术 篇9
1 大体积混凝土温度场的理论分析
为了解决混凝土的的热学问题,必须先对其热学参数确定,一般可以进行实测和推测,但实测比较麻烦不太现实,于是我们就采用数学方法,通过建立物理模型导出有关热学参数:
1)混凝土导热率K的确定:
2)混凝土密度ρ值的确定:
3)混凝土热容C值的确定:
式中,Kw为水导热率;Ks为砂子导热率;Kc为水泥导热率;Kst为石子导热率;Ke为外加剂导热率;Vw为水体积;Vs为砂子体积;Vc为水泥体积;Vst为石子体积;Ve为外加剂体积;ρw为水密度;ρs为砂子密度;ρc为水泥密度;ρst为石子密度;ρe为外加剂密度;Cw为水热容;Cs为砂子热容;Cc为水泥热容;Cst为石子热容;Ce为外加剂热容。
根据混凝土的热传导,以下为热传导方程及其边界条件:
式中,T为点坐标(x,y,z)处的温度值;ρ为介质体密度kg/m3;C为介质热容,J/kg;q为介质内热源放热速度,(J/kg)/s;k为介质热导率,J/m3/k。
根据混凝土的实际情况,以下为三类边界条件的适用情况及部位:
1)在介质边界上的温度值为给定值:
此类边界条件适用于快速循环的冷却系统与混凝土的界面以及混凝土与土壤等固体物的界面情况。
2)在边界上的热流量为给定函数:
此类边界热流速率等于混凝土界面温度梯度与热导率的乘积。
3)在边界上的热流量正比于介质温度差值:
此类边界条件适用于混凝土的表面以及其他固体表面对大气的散热情况。
由于(式4)是个热传导方程的解析式,无法应用计算机进行计算,我们采用离散差分的形式进行计算,把式(4)进行变换得到以下差分形式:
混凝土中:
虚拟混凝土中:
其中:
第一类边界条件的边界单元的温度值始终等于边界条件中的温度值。
第三类边界条件的边界单元的温度值:
2 大体积混凝土温度场分析软件的开发
根据大体积混凝土温度场的理论分析及相关算法,开发出大体积混凝土在浇筑之后其内部温度场变化的计算软件,如图1、图2。
3 示范工程
唐山LNG项目接收站工程T-1203储罐容量为1600 000m3,采用的是桩基筏板基础,承台直径87.4m,其底板厚度有0.9m、1.2m,储罐外罐工程为预应力钢筋混凝土筒式结构,储罐外径有83.6m,板墙厚度0.8m,储罐高49.933m,见图3。
由于罐壁厚度比较大,混凝土内部温度场分布不均匀,使结构产生温度应力,从而使得结构出现大片的裂缝成为可能,直接影响到结构的耐久性,所以要进行罐壁的温度监测,并根据监测的结果以判断是否采取温控措施。
在每一监测截面的布置3个温度传感器,如图4。根据大体积混凝土温度场分析软件的仿真,其温度随时间的变化曲线见图5。
根据工程的需要,在本工程的施工中也对局部大体积混凝土进行温度现场监测,监测的结果如图6。与大体积混凝土温度场分析软件的仿真结果基本一致,满足工程的需求。
摘要：采用数学方法,通过建立物理模型导出混凝土相关的热学参数,实现了LNG低温混凝土温度场的计算分析技术,并开发出其仿真软件。通过示范工程实测数据的对比可知,该软件其算法满足工程的要求。
关键词：LNG,低温混凝土,温度场分析
参考文献
温度场控制技术 篇10
重庆市天和国际商业中心项目位于重庆市观音桥商业圈内, 工程设计标高超300 m, 总体采用框架式剪力墙-钢管核心筒结构, 其中剪力墙厚度1.2 m, 最大一次性浇筑长度15 m, 钢管核心筒直径0.5 m。依据GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》, 该工程的剪力墙为大体积混凝土结构, 受大截面、 大体量、结构形式及施工工艺的影响, 容易在施工阶段就出现因温度、收缩以及约束等原因而产生的危害性裂缝。尤其是该工程混凝土强度等级达到C60, 胶凝材料用量较高, 由此引起的混凝土温度收缩和自收缩问题更应予以重视。
根据江苏省建筑科学研究院有限公司对多项实体结构底板、侧墙及顶板的跟踪与监测分析结果, 实际工程中侧墙结构拆模前裂缝产生的关键原因在于快速的温升温降。
如图1所示的厚度为0.45 m的某地下室侧墙混凝土温度监控结果表明, 由于侧墙模板的作用, 混凝土早期水化产生的水化热不能及时散出, 进而导致混凝土出现较高的温升 (1 d左右出现温峰) 。在接下来的降温阶段, 降温幅度达到了30 ℃, 降温速率为6.3 ℃/d, 远远超过混凝土结构的温降速率控制要求, 导致侧墙结构由于受到底板约束而开裂。因此, 侧墙混凝土的早期开裂主要由温度收缩引起。对本工程而言, 侧墙厚度超过1 m, 更显著提高了混凝土水化温升, 增加了温度开裂风险。
此外, 普通工业及民用建筑中, 一般混凝土强度等级较低、水胶比较高且掺加大量矿物掺合料, 早期自收缩作用可以忽略[1]。但对于本工程而言, 混凝土强度等级达到C60, 水胶比低且水泥用量较高, 早期自收缩作用则不可忽视, 这进一步增大了侧墙结构的开裂风险。
2温度场与膨胀历程双重调控抗裂技术方案
实践证明, 掺加有效的混凝土膨胀剂配制补偿收缩混凝土是抑制大面积、大体积和超长混凝土结构开裂行之有效的途径, 有众多成功案例[2,3]。CaO类高效膨胀剂是近年来研究热点, 相比于传统的UEA钙矾石类膨胀剂, 对外界环境湿度要求低, 水化需水量小, 有效膨胀量大, 更适用于以用水量低、结构致密为显著特点的高性能混凝土的要求[4,5]。但是, 此类膨胀剂可以补偿混凝土温度变形, 却不能调控温度变形, 且由于自身具有很强的温度敏感性, 在大体积混凝土结构中往往存在膨胀过快的问题, 要想达到满意的效果, 需要加大掺量, 又会给结构的长期稳定性带来隐患, 尚不能完全解决高性能混凝土的早期裂缝问题。
基于此, 本文在大量试验基础上研发了一种调节水泥水化进程的材料, 该材料为一种淡黄色无臭多糖类物质, 相对分子质量一般为500~3000。采用天然淀粉为原料, 经过预处理→ 溶解→生物酶水解→热处理→冷却结晶→成品这一系列过程, 可以得到满足要求的水泥水化热调控材料。
从水化进程干预的角度, 该材料一方面调控水泥水化放热速率, 延长水化放热过程, 充分利用结构的散热条件, 削弱温峰和温降过程, 降低温度开裂风险;另一方面进一步调控膨胀剂膨胀速率, 为建立有效膨胀和预压应力的存储赢得时间, 使得膨胀剂的补偿收缩能力在高性能混凝土结构中得以真正发挥。
用TAM Air微量热仪测试这种水化热调控材料的水化放热曲线, 结果见图2, 水化热调控材料不同掺量对水泥膨胀率的影响见图3。
图2表明, 这种水化热调控材料与传统缓凝剂相比有显著不同。缓凝剂只是延长了水泥水化诱导期, 推迟了放热峰的出现, 而对削弱放热速率和温度峰值并无明显作用;水化热调控材料则大幅度地缓解了水泥水化集中放热程度, 削弱了温峰和温降过程, 从而显著降低混凝土结构的温度开裂风险[6]。
图3表明, 这种水化热调控材料不仅可以通过影响加速期的水泥水化来削减结构温升, 提升CaO类膨胀剂的膨胀效果, 而且还可以通过直接影响CaO膨胀剂自身的水化历程来获取更多的有效膨胀。试验结果表明, 当膨胀剂掺量相同时, 以水泥浆体终凝为测试零点, 随着水化热调控材料掺量的增加, 浆体的膨胀率显著增大。
基于这一温度场和膨胀历程双重调控技术, 在对实体结构混凝土特点和现场施工状况分析研究的前提下, 重庆天和国际工程决定使用聚羧酸高效减水剂配制C60高强混凝土, 并在此基础上掺加复合了CaO膨胀剂和水化热调控材料的HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂来抑制和补偿侧墙大体积混凝土结构的温度收缩和自收缩, 降低结构开裂风险。
与此同时, 在混凝土中掺入约20%的粉煤灰, 进一步降低水泥水化进程中加速期的水化放热速率;取消了混凝土中矿粉的使用, 因为矿粉对于降低水泥水化加速期的放热速率没有明显作用, 且大多数研究表明, 矿粉的存在会增加混凝土的自收缩, 降低膨胀剂的膨胀效能。
3抗裂技术方案实施效果
3.1高效膨胀剂的补偿收缩效果
基于温度场和膨胀历程双重调控技术, 进行了关于补偿收缩混凝土体积变形的试验研究。
试验所用原料:水泥, 拉法基P·O42.5R水泥;砂, 细度模数0.9的枝江砂, 细度模数3.3的卵石机砂, 二者以3∶7的质量比复合使用, 调整后细度模数为2.6;石子, 5~25 mm连续级配山碎石;粉煤灰, 宜宾珞电I级灰;外加剂, 江苏博特PCA-I聚羧酸高效减水剂;抗裂剂, 江苏博特HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂;饮用水。
工程实际使用时的配合比见表1, 同时依据JGJ/T 178— 2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》中的相关规定, 进行了混凝土限制膨胀率的实验室测试, 对比研究了掺加HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂对混凝土变形的影响, 试验结果如图4所示。为进一步表征HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂的应用效果, 同时研究了混凝土的早龄期自收缩发展情况, 试验结果如图5所示。
kg/m3
由图4可知, 掺加了HME-V的C60混凝土饱水养护14 d限制膨胀率达到0.028%, 远远超过基准混凝土的0.011%, 干燥养护28 d的限制膨胀率为-0.016%, 高于基准混凝土的-0.031%。
由图5可知, 掺加了HME-V的C60混凝土自养护72 h体积变形为0.025%, 表现为膨胀, 远高于基准混凝土的体积变形 (-0.0045%) 。试验结果表明, HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂的掺加使得C60高强混凝土产生了足够的膨胀, 可以有效补偿其温度收缩、自收缩等体积变形, 减少实体结构开裂现象的发生。
3.2水化热调控材料对实体混凝土结构温度场干预效果
为检验HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂在该工程中的应用效果, 在工程实体混凝土结构中预埋入温度传感器, 以混凝土入模时间为测试0点, 进行了温度历程的持续监测, 结果如图6所示。
由图6可见, 自混凝土浇筑完成经过约2 d时间后, 侧墙温度达到峰值, 其中中部 (距侧模板约60 cm处) 为63.15 ℃, 表层 (距侧模板约5 cm处) 为47.81 ℃, 温升分别为53.89 ℃ 和36.33 ℃, 中部与表层最大温差为15.34 ℃。此后, 温度持续下降, 中部和表层降温速率分别为4.16 ℃/d和3.50 ℃/d。使用现场原材料和配合比测试水化热, 以此作为模拟计算的依据, 计算结果表明:在该工程侧墙大体积混凝土结构中, 使用HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂降低了结构中心部位最高温升约6.2 ℃, 降温幅度近10%。
4结语
针对重庆天和国际C60大体积混凝土侧墙的结构特点和施工要求, 工程采用了HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂配制补偿收缩混凝土进行一次性浇筑。从实验室试验和现场实体结构监测结果来看, 该功能型外加剂的掺加显著降低了结构中心部位最高温升约6.2 ℃, 降温幅度近10%;产生了有效的体积膨胀, 补偿收缩混凝土饱水养护14 d限制膨胀率为0.028%, 转空气养护28 d限制膨胀率为-0.016%, 同时, 自养护72 h其膨胀变形达250×10-6, 均远高于基准混凝土的同类测值。这些结果表明, 温度场与膨胀历程双重调控技术一定程度上降低及补偿了侧墙大体积混凝土结构由温度收缩、自收缩等带来的体积变形。从工程现场实施效果来看, HME-V混凝土 (温控、防渗) 高效抗裂剂显著减少了侧墙结构裂缝出现的几率, 显示出良好的工程应用效果, 有力保障了工程质量, 得到了业主和施工方的认可。
参考文献
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温度场控制技术 篇11
关键词：高温焊接；数值模拟；残余应力
中图分类号：TG456
Abstract： This paper presents a numerical simulation model of high-temperature welding process. The temperature field and residual stress field of high-temperature welding at different temperature were investigated by numerical simulation. The numerical simulation result shows that： the longitudinal welding residual stress on high-temperature welding seam center point at 500℃， 600℃and 700 ℃ relative to normal welding decreases respectively： 57.3%， 73.1% and 81.3%， the transverse residual stress decreases respectively： 17.6%， 36.9% and 63.8%； the stress field distribution of high-temperature welding tends to be uniform， the temperature is higher， the stress distribution is more uniform.
Key words： high-temperature welding； numerical simulation；residual stress
0 前言
在焊接界关注的诸多问题中，降低或消除焊接残余应力是一项重要的课题。国内外的研究者对此也做了大量的研究工作，并在此领域取得了令人瞩目的成绩。按照过程的性质分类，调整和消除焊接残余应力的方法主要有以下三类：一类是温差形变法，其原理是利用热膨胀量引起的变形差来消除焊接残余应力，主要包括逆焊接温差处理与低温拉伸两种方法[1-2]；另一类是热作用形变法，即通常采用的焊后热处理方法[3]；第三类是力学形变法，经常采用的爆炸处理、振动时效以及过载拉伸等力学方法就属于力学形变法 [4]。高温焊接是一种刚刚产生、并且正在探索的消除焊接残余应力的新方法[5-7]。在该焊接工艺过程中将焊件加热到相变温度以下的某一指定温度后再进行焊接，焊接过程中继续加热以保持母材金属的温度基本不变，在焊接结束后正常冷却至常温。高温焊接试验的结果表明：高温焊接形成的焊接接头的残余应力低，疲劳寿命高，证实了高温焊接的优越性。但高温焊接物理试验的数据不全面，不能得到焊接过程中完整的焊接残余应力的分布、焊接过程中的变形过程也不易准确测量，有必要建立高温焊接的数值模拟模型，来对高温焊接的优缺点进行评估，并借助数值模拟手段对高温焊接工艺进行进一步的优化。
1 高温焊接数值模拟模型
模拟试验选用的材料是制造压力容器常用的16MnR低合金钢，焊接试板尺寸：240mm×200 mm×12mm。图1为其有限元网格划分模型，由于焊接试板几何尺寸和热力边界条件具有对称性，按1/2进行建模。为便于施加固支约束条件，防止发生整体刚性平移，在焊接试板的两端增加了类似于引弧板和熄弧板的模型。焊缝区单元尺寸1mm，其它区域依次递增，最大单元尺寸11mm。
1.1 温度场计算的边界条件
（1）假设焊接电弧为双椭球热源；
（2）仅考虑焊接试板外表面与周围环境的对流换热；
（3）焊缝中心面为绝热边界条件。
1.2 应力场的边界条件
（1）焊缝中心面施加对称边界条件；
（2）为防止焊接试板发生整体刚性位移，约束引弧板外端面所有节点方向的位移。
1.3 模型
焊接参数：功率为800W，焊接速度为6.5 mm/s。
双椭球热源模型的表达式如下：
其中，值取1，2，分别表示为前、后半个椭球对应的参数； ，分别为椭球的三个半轴长度；Q为理论热输入量；分别为随热源中心移动坐标系下的坐标。
文中模拟了在500℃，600℃和700℃温度下高温焊接时的温度场和应力场。
2 温度场模拟结果
为了简化焊接前的加热过程，此模型假设整个焊接试板在焊前500s内完成加热，即在前500s内对所有单元节点施加固定温度载荷，温度载荷由20 ℃线性增大到预定温度。焊接开始后，删除温度载荷，此时试件上各点处于预定温度。随后焊接试件在环境温度下冷却。
图2为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点温度时程曲线。普通焊接视为温度为20 ℃的常温焊接过程。焊缝中心线上点的温度由于焊枪未到之时焊缝尚未填充，其温度视为20 ℃。从图2可以看到，高温焊接时温度越高，采用同样的热输入焊接时，峰值温度也越高，而且冷却速度也越慢。常温焊接的冷却速度则要快得多。
3 应力场模拟结果
图3、图4分别为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点纵向应力和横向应力的时程曲线。从图中可以看到，常温焊接时焊缝区的纵向残余应力接近450 MPa，横向残余应力接近80 MPa，而高温焊接时残余应力均有所降低，温度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接时纵向残余应力约为80 MPa，横向应力约为30 MPa，几乎可以忽略不计。各温度下高温焊接焊缝中心点上纵向残余应力相对于常温焊接的降低幅度分别为：57.3%，73.1%和81.3%，横向残余应力的降
图5、图6为不同温度下高温焊接试板焊缝中心横截面纵向残余应力和横向残余应力分布曲线。高温焊接时残余应力的分布更为平坦，温度越高，应力分布越呈扁平化趋势。
4 结论
（1）高温焊接能有效地降低焊接残余应力，纵向残余应力的降低幅度高于横向残余应力的降低幅度。温度越高，降低的幅度越大。
（2）高温焊接使得应力场的分布趋于均匀化，温度越高，应力分布也越均匀。
参考文献
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收稿日期：2015-03-20
尹成江简介： 1967年出生，硕士，副教授，博士研究生；