道路融雪化冰的数值模拟分析方法技术

本发明专利技术属于计算机数值模拟技术领域，涉及一种基于CFD

【技术实现步骤摘要】
道路融雪化冰的数值模拟分析方法


[0001]本专利技术属于计算机数值模拟
，涉及一种道路融雪化冰的数值模拟分析方法，尤其涉及一种基于CFD
‑
DEM耦合模型的道路融雪化冰的数值模拟分析方法。

技术介绍

[0002]冬天或者冰寒地区的道路结冰、积雪，严重影响国家的交通、经济以及正常的户外活动和工作。积雪结冰现象非常严重，往往造成交通中断或事故。据不完全统计，30％左右的交通事故与道路冰雪有关，严重影响了交通运输和经济建设。路面冰雪问题一直困扰着世界各国交通部门，世界各国为解决冬天道路结冰、积雪这一难题，主要采用人工或机械撒融雪剂、撒砂石材料，利用外加热源技术、能量转换型融冰技术和导电铺面等融雪化冰技术。
[0003]碳纤维电热法融冰雪是一种新型的主动融雪化冰技术，其工作原理是在道路混凝土中铺设碳纤维发热电缆，在混凝土层面铺设两种不同性质的沥青层，通过发热电缆将电能转化为热能，再通过道路内部的热传导效应将热能传递到道路表面冰层部分，使路面温度突破0℃从而实现融化路面冰雪的目的。电热除冰系统作为除冰系统的一种，是利用电热源来融化结冰部件外表面的积冰。电热除冰系统工作一段时间后，冰即可融化。熔融效率取决于两个因素：一是电热功率，二是冰的热物理性质。研究热物性对融冰过程的影响有助于设计更合适的融冰系统。融冰过程涉及许多问题，如融冰区温度分布、融冰速率、融冰面积、融冰体积等。目前，对冰的传热和融化过程的研究已成为热点。
[0004]道路融雪化冰过程的核心内容是热交换，主要是热量在阶层中的传递，涉及三相体系及各向的流动，同时伴随着复杂的热量与质量传输化学反应，以及强烈的相间作用。根据路面结构层按其所处的层位和作用，主要有面层、基层和垫层。该面层区域是模拟道路融雪化冰过程不可缺少的重要能量反应区。但由于道路内部热量的传递和三相并存的复杂化学反应会导致问题的复杂性，不能准确地了解热量在各层面的传递导致冰层的融化过程。
[0005]为了能够准确可靠地描述道路内部热量传递导致冰融化的过程，以能在不同的条件下制定关于道路融雪化冰的最优控制及解决策略。基于此，有必要建立一种基于CFD
‑
DEM耦合模型道路融雪化冰的数值模拟分析方法。

技术实现思路

[0006]为了解决
技术介绍
中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种能在不同的条件下制定关于道路融雪化冰的最优控制及解决策略的道路融雪化冰的数值模拟分析方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种道路融雪化冰的数值模拟分析方法，其特征在于：所述道路融雪化冰的数值模拟分析方法包括以下步骤：
[0009]1)利用离散元软件设定道路模型的尺寸参数，根据尺寸参数和试样颗粒级配，生成相应的颗粒组成离散元道路模型，并对离散元道路模型赋予混凝土及沥青不同的微观力
学参数和热力学参数；利用离散元软件中内嵌的热模块程序，基于设置的微观力学参数和热力学参数，将离散元道路模型中每个颗粒视为热传导过程中的热量储存器，并计算离散元道路模型内颗粒系统的温度变化和热量传递情况；
[0010]2)利用计算流体力学OpenFoam软件在离散元道路模型的上表面建立冰模型并设置冰参数，同时对冰模型进行网格划分；根据焓值法求解满足热量和质量平衡条件的移动边界，建立冰模型中控制体积的非定常数传热方程，利用液体分数β表示热传导过程中控制体积中以液体形式存在的比例；
[0011]3)根据步骤1)所得到的离散元道路模型内颗粒系统的温度变化和热量传递情况，记录离散元道路模型上层沥青边界处颗粒的温度变化和累积热量，并通过单向耦合计算，将离散元道路模型上层沥青边界颗粒温度变化和累积热量作为边界输入条件输入OpenFoam软件中，利用步骤2)构建得到的控制体积的非定常数传热方程，计算给定荷载时间内的热传递，更新液体分数β，并以更新后的液体分数β的值来确定冰模型体积的变化，根据该变化为道路融雪化冰分析提供依据。
[0012]作为优选，本专利技术所采用的离散元软件是Yade离散元软件，所述离散元道路模型包括上从上而下依次设置的上沥青层、下沥青层以及混凝土层；所述上沥青层的厚度是h1，所述下沥青层的厚度是h2，所述混凝土层的厚度是h3，所述h1＜h2＜h3；所述离散元道路模型中，根据混凝土中的颗粒以及沥青中的颗粒间的接触特点，颗粒间的接触以平行黏结模型连接度。
[0013]作为优选，本专利技术所采用的步骤2)中，所述网格划分是将冰模型划分为统一大小的计算单元，计算每个计算单元内部的温度变化及热量累积情况，网格大小划分为离散元道路模型上层沥青界面最小直径颗粒的尺寸大小。
[0014]作为优选，本专利技术所采用的步骤2)中，所述根据焓值法求解满足热量和质量平衡条件的移动边界的具体实现方式是：
[0015]将焓作为一个因变量，假设焓是温度的函数，用焓与温度的关系来确定融化过程中冰的温度；
[0016]其中温度
[0017]其中：
[0018]所述T
melt
是冰融化过程中冰开始达到熔点时刻的温度；
[0019]所述H
sm
为冰在熔点下的焓；
[0020]所述H
sm
＝C
ps
T
melt
；所述H
lm
为水在熔点下的焓；
[0021]所述H
lm
＝C
ps
T
melt
+L；
[0022]所述H为冰的总体焓量；
[0023]所述C
ps
为恒压下冰的比热容；
[0024]所述C
pl
为恒压下水的比热容；
[0025]当H<H
sm
时，冰还未达到熔点，未开始融化；
[0026]当H
sm
<H<H
lm
时，冰达到熔点，整体还未融化，当H＝H
lm
时达到融化临界点；
[0027]当H>H
lm
时，冰开始融化。
[0028]作为优选，本专利技术所采用的步骤2)中所述冰模型中控制体积的非定常数传热方程的表达式是：
[0029][0030]其中：
[0031]所述j表示在openfoam里所建立的冰模型的层面；
[0032]所述x、y以及z分别是空间坐标下X方向、Y方向以及Z方向；
[0033]所述ρ为冰的密度；
[0034]所述C
p
为恒压下冰的比热容；
[0035]所述k为冰的导热系数；
[0036]所述T为冰的温度；
[0037]所述Q为热源量；
[0038]所述冰模型中控制体积的非定常数传热方程表示在X方向、Y方向以及Z方向的热传导与局部产热之和的能量积累率。
[0039]作为优选，本专利技术所采用的冰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种道路融雪化冰的数值模拟分析方法，其特征在于：所述道路融雪化冰的数值模拟分析方法包括以下步骤：1)利用离散元软件设定道路模型的尺寸参数，根据尺寸参数和试样颗粒级配，生成相应的颗粒组成离散元道路模型，并对离散元道路模型赋予混凝土及沥青不同的微观力学参数和热力学参数；利用离散元软件中内嵌的热模块程序，基于设置的微观力学参数和热力学参数，将离散元道路模型中每个颗粒视为热传导过程中的热量储存器，并计算离散元道路模型内颗粒系统的温度变化和热量传递情况；2)利用计算流体力学OpenFoam软件在离散元道路模型的上表面建立冰模型并设置冰参数，同时对冰模型进行网格划分；根据焓值法求解满足热量和质量平衡条件的移动边界，建立冰模型中控制体积的非定常数传热方程，利用液体分数β表示热传导过程中控制体积中以液体形式存在的比例；3)根据步骤1)所得到的离散元道路模型内颗粒系统的温度变化和热量传递情况，记录离散元道路模型上层沥青边界处颗粒的温度变化和累积热量，并通过单向耦合计算，将离散元道路模型上层沥青边界颗粒温度变化和累积热量作为边界输入条件输入OpenFoam软件中，利用步骤2)构建得到的控制体积的非定常数传热方程，计算给定荷载时间内的热传递，更新液体分数β，并以更新后的液体分数β的值来确定冰模型体积的变化，根据该变化为道路融雪化冰分析提供依据。2.根据权利要求1所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤1)中：所述离散元软件是Yade离散元软件，所述离散元道路模型包括上从上而下依次设置的上沥青层、下沥青层以及混凝土层；所述上沥青层的厚度是h1，所述下沥青层的厚度是h2，所述混凝土层的厚度是h3，所述h1＜h2＜h3；所述离散元道路模型中，根据混凝土中的颗粒以及沥青中的颗粒间的接触特点，颗粒间的接触以平行黏结模型连接度。3.根据权利要求2所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述网格划分是将冰模型划分为统一大小的计算单元，计算每个计算单元内部的温度变化及热量累积情况，网格大小划分为离散元道路模型上层沥青界面最小直径颗粒的尺寸大小。4.根据权利要求3所述的道路融雪化冰的数值模拟分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述根据焓值法求解满足热量和质量平衡条件的移动边界的具体实现方式是：将焓作为一个因变量，假设焓是温度的函数，用焓与温度的关系来确定融化过程中冰的温度；其中温度其中：所述T
melt
是冰融化过程中冰开始达到熔点时刻的温度；所述H
sm
为冰在熔点下的焓；所述H
sm
＝C
ps
T
melt
；所述H
lm
为水在熔点下的焓；所述H
lm
＝C
ps
T
melt
+L；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一鸣，杨柳，肖衡林，马强，陈智，李丽华，李文涛，裴尧尧，周鑫隆，余汉龙，窦慧茹，高翔，虞海兵，蔡凡，刘力，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：