保温材料表面流水状态下混凝土温度场迭代计算方法技术

本发明专利技术提供了一种保温材料表面流水状态下混凝土温度场迭代计算方法。根据混凝土热流量和保温材料外侧温度推导出保温材料内侧温度，并以保温材料内侧温度作为第一类边界条件，计算混凝土温度场。本发明专利技术能更准确的计算保温材料表面流水状态下混凝土温度场，为制定、调整大体积混凝土温控防裂措施提供科学依据。据。据。

【技术实现步骤摘要】
保温材料表面流水状态下混凝土温度场迭代计算方法


[0001]本专利技术涉及一种混凝土温度场计算方法，具体地说，涉及一种在混凝土表面保温材料表面呈流水状态下，混凝土温度场迭代计算方法。本专利技术属于水利水电工程


技术介绍

[0002]混凝土是热的不良导体，容易形成较大的混凝土内外温差，进而引起混凝土开裂。高寒地区，温度荷载是坝体开裂的主要荷载，采取有效的保温措施能较好的控制温度荷载，减小开裂。西藏地区日较差(即日温差)较大(1月份平均日较差可达20℃)，日均气温也较低，西藏高寒地区的气候决定该地区与低海拔坝体在温控措施(特别是保温措施)上存在较大区别。根据现场调研结果，西藏地区坝体保温问题不可轻视，否则容易出现贯穿性裂缝，如某电站施工期和运行期不注重保温措施，坝体出现较多的裂缝。该坝体运行期由于裂缝而出现渗漏，即使花费大量资金修补仍存在渗漏问题，较大程度的威胁到坝体的安全性和耐久性。
[0003]表面保温和内部通水是大体积混凝土温控防裂的主要措施，在制定、实施温控防裂措施时，需要准确地掌握保温材料交界处表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度的分布情况，以便制定、及时调整温控防裂措施。混凝土表面铺设保温材料能减小表面放热系数，减小内外温差，起到温控防裂的目的。对于干燥和潮湿环境，目前已有保温材料导热系数和混凝土表面放热系数关系的相关研究。例如，朱伯芳院士已推导出铺设干燥保温材料时，保温材料导热系数和混凝土表面放热系数之间的关系模型。有些学者也进行了潮湿状态下保温材料保温性能的相关研究。
[0004]但是，在实际工程中，保温材料表面往往处于流水和表面结冰的状态，且保温材料厚度较薄、体积轻，其吸收的热量有限，作用和空气的滞留层类似，这种情况下，利用现有的保温材料导热系数和混凝土表面放热系数之间的关系模型分析、计算确定保温材料交界处表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度分布情况就不准确了，影响温控防裂措施的制定、实施，温控防裂效果不理想。

技术实现思路

[0005]鉴于上述原因，本专利技术的目的是提供一种针对混凝土表面保温材料表面呈流水状态下，混凝土温度场迭代计算方法。该混凝土温度场迭代计算方法计算得到的混凝土温度场能真实反应保温材料交界处表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度分布的真实情况，为制定、调整混凝土温控防裂措施提供科学依据。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种保温材料表面流水状态下混凝土温度场迭代计算方法，其特征在于：它包括如下步骤：
[0007]S1、确定保温材料表面流水状态下，混凝土表面的放热系数β
S
：
[0008][0009]其中：h
i
为第i层保温材料的厚度，λ
i
为第i层保温材料的导热系数；
[0010]S2、根据三维温度场有限元计算方法，及步骤S1中的混凝土表面放热系数，计算大体积混凝土初始温度场；
[0011]S3、确定流经表面流水保温材料所在单元凌空面的热流量Q0：
[0012][0013]其中：λ
c
为混凝土的导热系数，为表面流水保温材料所在单元凌空面节点处法向温度梯度，ds表示节点处面积的微元，
△
τ表示计算的步长；
[0014]S4、确定表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
B0
：
[0015]根据流经表面流水保温材料所在单元凌空面的热流量Q0和外界环境的温度，即可得到表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
B0
：
[0016][0017]其中：T
A
为保温材料表面水或冰的温度，T
B0
为表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度；
[0018]S5、根据步骤S2计算得到的大体积混凝土初始温度场中表面流水保温材料所在单元凌空面节点的初始温度T
s0
和表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
B0
，计算得到第1次迭代后表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
s1
：
[0019]T
s1
＝(1
‑
α)T
s0
+αT
B0
ꢀꢀꢀ
(5)
[0020]其中：T
s0
为表面流水保温材料所在单元凌空面节点的初始温度；α为迭代收敛控制系数；
[0021]将T
s1
作为第二次迭代的初值，并参考式(4)和(5)，计算出T
B1
和T
s2
，由此，推导出T
sn
和T
sn
‑1的关系表达式：
[0022]T
sn
＝(1
‑
α)T
sn
‑1+αT
Bn
ꢀꢀꢀ
(6)
[0023]其中：T
sn
‑1表示第n
‑
1次迭代计算后表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度，T
sn
表示第n次迭代计算后表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度；
[0024]由此计算出第n次迭代的残差：
[0025]ω＝|T
sn
‑
T
sn
‑1|
ꢀꢀꢀ
(7)
[0026]S6、设定残差的最小值，当残差小于设定值时，停止迭代计算。
[0027]在本专利技术较佳实施例中，所述步骤S6中的残差最小值为0.01℃。
[0028]在本专利技术较佳实施例中，对于单一的保温材料，混凝土温度场迭代收敛控制系数α的选择应满足以下式：
[0029][0030]其中：λ
s
为保温材料的导热系数；h为保温材料的厚度，单位为m；λ
c
为混凝土的导热系数；k为系数，单位为0.05m；
[0031]对于复合保温材料，先计算保温材料的平均导热系数：
[0032][0033]其中，h＝∑h
i h
i
为第i层保温材料的厚度
[0034]将式(16)带入式(15)即可求解出α。
[0035]在本专利技术较佳实施例中，所述步骤S3中表面流水保温材料所在单元凌空面节点处法向温度梯度和表面积的乘积应满足以下关系：
[0036][0037]其中：N表示凌空面节点处的温度梯度向量，S表示凌空面节点处表面积向量；
[0038]对于三维温度场有限元计算方法，凌空面节点处的温度梯度向量可以用以下方法计算：
[0039][0040]其中：N
i
表示第i个节点的形函数，RF(i)表示第i个节点的温度；
[0041]设单元的混凝土凌空面为ζ＝
‑
1，则凌空面节点处表面积向量可以用以下方法计算：
[0042][0043]其中：ξ、η和ζ为局部坐标；
[0044]故，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种保温材料表面流水状态下混凝土温度场迭代计算方法，其特征在于：它包括如下步骤：S1、确定保温材料表面流水状态下，混凝土表面的放热系数β
S
：其中：h
i
为第i层保温材料的厚度，λ
i
为第i层保温材料的导热系数；S2、根据三维温度场有限元计算方法，及步骤S1中的混凝土表面放热系数，计算大体积混凝土初始温度场；S3、确定流经表面流水保温材料所在单元凌空面的热流量Q0：其中：λ
c
为混凝土的导热系数，为表面流水保温材料所在单元凌空面节点处法向温度梯度，ds表示节点处面积的微元，
△
τ表示计算的步长；S4、确定表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
B0
：根据流经表面流水保温材料所在单元凌空面的热流量Q0和外界环境的温度，即可得到表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
B0
：其中：T
A
为保温材料表面水或冰的温度，T
B0
为表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度；S5、根据步骤S2计算得到的大体积混凝土初始温度场中表面流水保温材料所在单元凌空面节点的初始温度T
s0
和表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
B0
，计算得到第1次迭代后表面流水保温材料所在单元凌空面节点温度T
s1
：T
s1
＝(1
‑
α)T
s0
+αT
B0
ꢀꢀꢀꢀ
(5)其中：T
s0
为表面流水保温材料所在单元凌空面节点的初始温度；α为迭代收敛控制系数；将T
s1
作为第二次迭代的初值，并参考式(4)和(5)，计算出T
B1
和T
s2
，由此，推导出T
sn
和T
sn
‑1的关系表达式：T
sn
＝(1
‑
α)T
sn
‑1+αT
Bn
ꢀꢀꢀꢀ
(6)其中：T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，朱振泱，张磊，曾乾礼，刘毅，唐茂刚，夏勇，崔腾洲，赵恒，齐问坛，辛建达，刘伟，刘露，钟富林，韩国君，郑晓阳，马晓芳，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：