长大隧道热铺沥青混合料的温度时效过程研究

论文摘要

随着西部大开发的深化,山区公路建设规模得到了迅速的发展。由于隧道能够大幅度缩短里程、提高运营效率、节约土地、保护环境等优点,长大隧道在公路工程中得到了越来越多的采用,长大隧道内沥青路面施工所面临的问题也更为突出。热铺沥青混合料会释放出大量的热量和有害气体,导致隧道中的施工环境恶劣,严重影响施工机械和施工人员的正常施工。因此,隧道内热铺沥青混合料的温度场随时间的变化规律一直为学术界所关注,其研究成果可为施工环境的优化提供参考。本论文基于传热学的基本原理,通过建立3D有限元数值模型,对隧道内热铺沥青混合料的过程进行了动态模拟,分析了隧道内热铺沥青混合料时的温度场分布特点,本论文主要包括：(1)根据能量守恒的原理,通过FLUENT中的用户子程序,以热流密度的形式对模型的热拌沥青混凝土单元进行赋值,从而模拟在隧道限定空间内,热拌沥青混合料的动态铺筑过程。(2)通过有限元软件的数值模拟计算,探讨不同工况下铺筑热拌沥青混合料时,隧道内温度场分布特点。纵向温度分布特点：在隧道内纵坡为零时,隧道内空气纵向温度分布呈现“沙漏”状,隧道中的热空气从两端的洞口流出,温度相对较高区域发生在已铺筑段长度中点附近；当有纵坡存在时,隧道中的热空气主要从高程较高的洞口流出,空气中温度相对较高区域向上坡方向偏移。横向温度分布特点：在纵坡为零的隧道内,已铺筑段内温度较高区域横断面上的温度,随距路面高度增加而减小,随距中心对称轴距离增加而减小；已铺筑段内(不包括温度较高区域)距路面一定高度范围内温度随距路面高度增加而减小,一定范围外温度随距路面高度增加而增大。(3)通过改变铺筑速度、隧道纵坡和铺筑厚度不同工况下,施工作业区间温度的对比分析,考察影响施工人员和施工机械工作环境温度的因素。结果表明在规范推荐的铺筑速度范围内,改变铺筑速度对隧道内温度的分布趋势和大小改变不大；铺筑的混凝土越厚,隧道内温度相对越高,因此,薄层混凝土更有利于施工；隧道纵坡的存在有助于热空气的排出,有利于改善施工环境,但在规范允许的纵坡范围内,改善不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 传热学基础理论
• 2.1 热量传递的基本方式
• 2.1.1 热传导
• 2.1.2 对流
• 2.1.3 热辐射
• 2.2 传热学的基本概念
• 2.2.1 温度场
• 2.2.2 等温面
• 2.2.3 温度梯度
• 2.3 热传导问题的数学描述
• 2.3.1 导热微分方程
• 2.3.2 定解条件
• 2.4 隧道内的传热方程
• 2.4.1 沥青混凝土面层中的传热
• 2.4.2 隧道内空气中的传热
• 2.4.3 沥青混凝土、空气和隧道壁三者之间的传热
• 第3章 数值传热学方法
• 3.1 数值求解的基本方法
• 3.1.1 有限差分法（FDM）
• 3.1.2 有限容积法（FVM）
• 3.1.3 有限元法（FEM）
• 3.1.4 有限分析法（FAM）
• 3.2 数值计算建模的过程
• 3.2.1 结构化网格
• 3.2.2 非结构化网格
• 3.3 热量传递过程的控制方程
• 3.3.1 质量守恒方程
• 3.3.2 动量守恒方程
• 3.3.3 能量守恒方程
• 3.3.4 控制方程的通用形式
• 3.3.5 离散控制方程的建立
• 3.4 代数方程组的求解及收敛
• 第4章 数值模型的建立
• 4.1 本文隧道模型的尺寸
• 4.2 模型的参数分析
• 4.2.1 空气的热物理参数
• 4.2.2 热拌沥青混凝土的热物理参数
• 4.3 模型边界条件
• 4.3.1 沥青混凝土路面温度边界
• 4.3.2 隧道两端洞口边界条件
• 4.3.3 壁面边界条件
• 4.4 气体流动的物理模型
• 4.4.1 Reynolds时均方程
• 4.4.2 标准k-ε模型
• 4.5 SIMPLE算法
• 4.5.1 速度修正值的计算公式
• 4.5.2 压力修正值代数方程的求解
• 4.5.3 SIMPLE算法的计算步骤
• 4.6 网格精度检验
• 第5章 算例分析
• 5.1 计算工况
• 5.2 隧道内的温度时空分布特点
• 5.2.1 隧道纵向温度分布特点
• 5.2.2 隧道横向温度分布特点
• 5.3 施工环境温度的对比研究
• 结论与展望
• 1、结论
• 2、展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文