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严寒地区隧道围岩冻融状况分析的导热与对流换热模型何春雄吴紫汪朱林楠（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室）（华南理工大学应用数学系）摘要通过对严寒地区隧道现场基本气象条件的分析，建立了隧道内空气与围岩对流换热及固体导热的综合模型;用此模型对大兴安岭西罗奇2号隧道的洞内气温分布进行了模拟计算，结果与实测值基本一致;分析预报了正在开凿的祁连山区大坂山隧道开通运营后洞内温度及围岩冻结、融化状况.关键词严寒地区隧道导热与对流换热冻结与融化在我国多年冻土分布及邻近地区，修筑了公路和铁路隧道几十座.由于隧道开通后洞内水热条件的变化;，普遍引起洞内围岩冻结，造成对衬砌层的冻胀破坏以及洞内渗水冻结成冰凌等，严重影响了正常交通.类似隧道冻害问题同样出现在其他国家（苏联、挪威、日本等)的寒冷地区.如何预测分析隧道开挖后围岩的冻结状况，为严寒地区隧道建设的设计、施工及维护提供依据，这是一个亟待解决的重要课题.在多年冻土及其临近地区修筑的隧道，多数除进出口部分外从多年冻土下限以下岩层穿过.隧道贯通后，围岩内原有的稳定热力学条件遭到破坏，代之以阻断热辐射、开放通风对流为特征的新的热力系统.隧道开通运营后，围岩的冻融特性将主要由流经洞内的气流的温度、速度、气—固交界面的换热以及地热梯度所确定.为分析预测隧道开通后围岩的冻融特性，Lu-nardini借用Shamsundar研究圆形制冷管周围土体冻融特性时所得的近似公式，讨论过围岩的冻融特性.我们也曾就壁面温度随气温周期性变化的情况，分析计算了隧道围岩的温度场[3].但实际情况下，围岩与气体的温度场相互作用，隧道内气体温度的变化规律无法预先知道，加之洞壁表面的换热系数在技术上很难测定，从而由气温的变化确定壁面温度的变化难以实现.本文通过气一固祸合的办法，把气体、固体的换热和导热作为整体来处理，从洞口气温、风速和空气湿度、压力及围岩的水热物理参数等基本数据出发，计算出围岩的温度场.1数学模型为确定合适的数学模型，须以现场的基本情况为依据.这里我们以青海祁连山区大坂山公路隧道的基本情况为背景来加以说明.大坂山隧道位于西宁一张业公路大河以南，海拔3754.78~3801.23 m，全长1530 m ,隧道近西南—东北走向.由于大坂山地区隧道施工现场平均气温为负温的时间每年约长8个月，加之施工时间持续数年，围岩在施土过程中己经预冷，所以隧道开通运营后，洞内气体流动的形态主要由进出口的主导风速所确定，而受洞内围岩地温与洞外气温的温度压差的影响较小；冬季祁连山区盛行西北风，气流将从隧道出曰流向进口端，夏季虽然祁连山区盛行东偏南风，但考虑到洞口两端气压差、温度压差以及进出口地形等因素，洞内气流仍将由出口北端流向进口端.另外，由于现场年平均风速不大，可以认为洞内气体将以层流为主基于以上基本情况，我们将隧道简化成圆筒，并认为气流、温度等关十隧道中心线轴对称，忽略气体温度的变化对其流速的影响，可有如下的方程:其中t为时间，x为轴向坐标，r为径向坐标;U, V分别为轴向和径向速度，T 为温度，P为有效压力(即空气压力与空气密度之比少，V为空气运动粘性系数，a为空气的导温系数，L为隧道长度，R为隧道的当量半径，D为时间长度)(t,Sf)(t Su 分别为围岩的冻、融区域.fλ,uλ分别为冻、融状态下的热传导系数，fC,uC分别为冻、融状态下的体积热容量，X=(x,r) , )(tξ为冻、融相变界面,To为岩石冻结临界温度(这里具体计算时取To=-0.10C0)，hL为水的相变潜热.2 求解过程由方程(1)知，围岩的温度的高低不影响气体的流动速度，所以我们可先解出速度，再解温度.2.1 连续性方程和动量方程的求解由于方程((1)的前3个方程不是相互独立的，通过将动量方程分别对x和r 求导，经整理化简，我们得到关于压力P的如下椭圆型方程:于是，对方程(1)中的连续性方程和动量方程的求解，我们按如下步骤进行:(1)设定速度0U,0V;( 2)将0U,0V代入方程并求解，得0P(3)联立方程(1)的第一个和第二个方程，解得一组解1U,1V;(4)联立方程((1)的第一个和第三个方程，解得一组解2U,2V;(5)对((3) ,(4)得到的速度进行动量平均,得新的0U,0V返回(2) ;(6)按上述方法进行迭代，直到前后两次的速度值之差足够小.以0P,0U,0V作为本时段的解,下一时段求解时以此作为迭代初值.2. 2 能量方程的整体解法如前所述，围岩与空气的温度场相互作用，壁面既是气体温度场的边界，又是固体温度场的边界，壁面的温度值难以确定，我们无法分别独立地求解隧道内的气体温度场和围岩温度场.为克服这一困难，我们利用在洞壁表面上，固体温度等于气体温度这一事实，把隧道内气体的温度和围岩内固体的温度放在一起求解，这样壁面温度将作为末知量被解出来.只是需要注意两点:解流体温度场时不考虑相变和解固体温度时没有对流项;在洞壁表面上方程系数的光滑化.另外，带相变的温度场的算法与文献[3]相同.2. 3热参数及初边值的确定热参数的确定方法: 用p=1013.25-0.1088H 计算出海拔高度为H 的隧道现场的大气 压强，再由GTP =ρ计算出现场空气密度ρ，其中T 为现场大气的年平均绝对温度，G 为空气的气体常数.记定压比热为P C ,导热系数为λ，空气的动力粘性系数为μ.按ρλP C =ａ 和ρμν= 计算空气的导温系数和运动粘性系数.围岩的热物理参数则由现场采样测定.初边值的确定方法:洞曰风速取为现场观测的各月平均风速.取卞导风进曰的相对有效气压为0，主导风出口的气压则取为]5[22/)/1(v d kL p ⨯+=，这里k 为隧道内的沿程阻力系数，L 为隧道长度，d 为隧道端面的当量直径，ν为进口端面轴向平均速度.进出口气温年变化规律由现场观测资料，用正弦曲线拟合，围岩内计算区域的边界按现场多年冻土下限和地热梯度确定出适当的温度值或温度梯度. 3 计算实例按以上所述的模型及计算方法，我们对大兴安岭西罗奇2号隧道内气温随洞曰外气温变化的规律进行了模拟计算验证，所得结果与实测值[6]相比较,基本规律一致.西罗奇2号隧道是位十东北嫩林线的一座非多年冻土单线铁路隧道，全长1160 m ,隧道近西北一东南向，高洞口位于西北向，冬季隧道主导风向为西北风.洞口海拔高度约为700 m ,月平均最高风速约为3m/s,最低风速约为1.7m/s.根据现场观测资料，我们将进出口气温拟合为年平均分别为-5C 0和-6.4C 0，年变化振幅分别为18.9C 0和17.6C 0的正弦曲线.隧道的当量直径为5.8 m,沿程阻力系数取为0.025.由于围岩的热物理参数对计算洞内气温的影响远比洞口的风速、压力及气温的影响小得多，我们这里参考使用了大坂山隧道的资料.图1给出了洞口及洞内年平均气温的计算值与观测值比较的情况，从进口到出口，两值之差都小于0.2C 0.图2给出了洞内 (距进出口l00m 以上)月平均气温的计算值与观测值比较的情况，可以看出温度变化的基本规律完全一致，造成两值之差的主要原因是洞口气温年变化规律之正弦曲线的拟合误差，特别是1979年隧道现场月平均最高气温不是在7月份，而是在8月份.4 对大坂山隧道洞内壁温及围岩冻结状况的分析预测4. 1热参数及初边值按大坂山隧道的高度值3 800 m 和年平均气温-3C 0，我们算得空气密度3/774.0m kg =ρ；由于大气中含有水汽，我们将空气的定压比热取为[7] s m kJ C p ⋅=/8744.1导热系数C m W 02/100.2⋅⨯=-λ，空气的动力粘性系数取为s m kg ⋅⨯=-/10218.96μ,经计算，得出空气的导温系数s m a /103788.125-⨯=和运动粘性系数s m /1019.125-⨯=ν.考虑到车体迎风面与隧道端面相比较小、车辆在隧道内行驶速度较慢等因素，我们这里忽略了车辆运行时所形成的活塞效应对气体扩散性能的影响.岩体的导热系数皆按完好致密岩石的情况处理，取岩石的干容重3/2400m kg d =λ时，含水量和末冻水含量分别为W=3%和W=1 %，c m W o u ./9.1=λ,c m W o f ./0.2=λ岩石的比热取为C kg kJ C V 0./8.0=，d u f W w C γ⨯++=1)128.48.0(,d u u Ww C γ⨯++=1)128.48.0(. 另外，据有关资料，大坂山地区月平均最大风速约为3.5 m/s ，月平均最小大风速约为 2.5m/s;我们将洞口风速拟合为)/](5.2)7(028.0[)(2s m t t v +-⨯=，这里t 为月份.洞内风速初值为：.0),,0(),)(1(),,0(2=-=r x V Rr U r x U a 这里取s m U a /0.3=.而将温度的初边值取为这里记f (x)为多年冻土下限到隧道拱顶的距离，Ro = 25m 为求解区域的半径.地热梯度取为3%，洞外天然年平均气温A=-3C 0，年气温变化振幅B=12C 0.对于边界R = Ro ，我们先按第一类边值(到多年冻土下限的距离乘以3 %)计算，发现一年后，在半径为5m 到25m 范围内围岩的热流方向己经发生转向.考虑到此后围岩会继续冷却，但在边界R=0R 上又受地热梯度的作用，我们近似地将边界R= Ro 作为第二类边界处理，即把由定边值计算一年后R=R 。
建筑机电工程重难点的分析与解决措施第1节机电工程重难点的保障措施1.1进度管理措施1.1.1超高层建筑机电施工的垂直运输组织本工程共47层，建筑高度216米，为超高层建筑。
机电工程如何组织好人员、材料、设备的垂直运输，将极大影响到机电工程施工进度，将是机电施工管理的重中之重。
机电工程施工的垂直运输组织主要包括：人员竖向交通组织、机电设备材料的垂直运输。
针对本工程的解决办法：与总承包方积极协调，采取以下一系列措施解决或缓解这一矛盾：1）对人员的管理合理控制施工人员的流动，减少不必要的上楼下楼。
施工过程中，要求分包施工单位特别注意做到以下各项工作：作业前作好充分准备，备好相关所需工具、图纸等必备物品。
协调各施工单位组织做好给施工人员统一送餐及饮用水至集中作业楼层，缓解用餐时间人员集中上下楼的交通拥堵，节省平时所花费在等电梯时的大量时间，提高工作效率。
协调总承包方在每层或隔层合理位置安放临时厕所，以解决施工人员因排泄而频繁上下楼的问题，并每天设专人清理，既提高工作效率，又保证楼内清洁。
2）对施工运输电梯的管理协调总承包方对施工电梯进行高区及低区电梯分别设置，以保证高区及低区运输效率。
协调总承包方对施工电梯的分层停靠，以减少全程运行时间。
3）对施工作业时间的协调统一协调各专业及各单位交叉作业时间，根据进度计划合理安排劳动力。
充分利用夜间施工阶段，在保证安全及足够夜间施工照明的前提下，把占用施工作业面大、不利于多专业交叉作业且占用时间长的项目安排至此时间段施工。
音、光污染措施、扰民事件发生后的应急预案等。
4）对物资运输的管理充分利用夜间及施工闲时进行物资的运输。
分施工流水段在高、中、低区合理位置为物资设置临时存放库，以缓解物资运输与人员运输的矛盾，减少施工人员对物资所需搬运距离及时间的花费，提高工作效率。
2.机电设备材料的垂直运输机电设备材料的垂直运输应优先考虑使用施工电梯，以保证主体结构的施工进度。
为充分发挥塔吊起重量大的特点，机电设备材料应集中运输。
空调风口设计中的流体力学数值模拟研究空调是现代生活中不可或缺的一部分，尤其是在炎热的夏季。
然而，很少有人会关注到空调中风口设计的复杂性，以及其中涉及的流体力学数值模拟研究。
风口设计的好坏会直接影响空气流通的效果，进而影响室内温度、湿度、舒适度等方面，值得我们深入研究。
空调内部的风口设计，是考虑室内空气的流体力学行为而进行的。
因此，在设计过程中进行数值模拟以分析空气流动规律和优化方案，有助于提高设计的效果。
数值模拟分为两个层面，一是稳态流动，一是瞬态流动。
在深入研究之前，先简单介绍一下二者的不同。
稳态流动是指所研究的物质状态和运动特征在一定时间内不发生变化，通俗来讲就是物体的状态和运动趋势相对稳定。
在空调中，稳态流动的数值模拟主要是为了评价气流的速度、流量、压力等，从而确定风口和送风口的形状、大小、位置，以达到合理的空气流通效果。
瞬态流动的数值模拟则是研究物理场随时间的演化过程，通俗来讲就是物体的状态和运动趋势发生了变化。
在空调中，瞬态流动的数值模拟主要是为了研究气流如何影响、反馈/调控室内温度、湿度、舒适度等。
在进行空调风口设计的数值模拟时，首先需要进行流场分析，以确定送风口位置和送风口大小，并决定出风口设计方案。
分析这里涉及到的领域包括：流速场、压力场、温度场、湿度场等，需要综合考虑，打破不同场之间的障碍，做好多重耦合模拟。
这样可以更加精确地模拟室内气流场，实现较好的均流效果，避免出现过大或过小的气流速度局部梯度差，造成局部死角。
为了对这些模拟数据进行验证，需要对比实际数据。
在实际的测试过程中，需要通过各种方法来衡量室内的气流流场特征参数，这样就可以更加准确更全面地评估室内气流流场的均匀性。
常用的测试手段包括：风速计、热像仪、颗粒追踪仪等，都可以使我们对室内气流流场有一个较好的感性认识，。
通过以上步骤，空调风口设计中的流体力学数值模拟得到持续改进和发展。
从单一静态的均匀气流送风，到动态的打破屏障、优化送风方式，数值模拟在空调风口设计中扮演着越来越重要的角色。
低温与超导第38卷 第10期其 它O t h e r s C r y o .＆S u p e r c o n d .V o l .38 N o .10收稿日期:2010-06-18作者简介:刘荣(1984-),男,硕士生,主要从事低温制冷的应用研究。
F l u e n t 数值模拟在制冷与空调领域中的应用刘荣,陶乐仁(上海理工大学能源与动力工程学院,上海200090)摘要:F l u e n t 软件是流体力学中通用性较强的一种商业C F D 软件,应用范围很广。
主要介绍F l u e n t 在制冷与空调中的应用。
F l u e n t 模拟适用于制冷领域等现代技术对过程模拟的要求,同时满足现代化生产设计,是制冷与空调设计的一个重要发展方向。
阐述了F l u e n t 模拟仿真在制冷领域的现状及发展概况;重点对F l u e n t 在工艺过程中的模拟作了介绍。
利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。
关键词:F l u e n t ;数值模拟;制冷与空调;应用F l u e n t n u m e r i c a l s i m u l a t i o na p p l i c a t i o n s i n t h e f i e l do f r e f r i g e r a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n gL i u R o n g ,T a o L e r e n(I n s t i t u t e o f E n e r g y a n dP o w e r E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g ,S h a n g h a i 200090,C h i n a )A b s t r a c t :F l u e n t s o f t w a r e i s a s t r o n g c o m m o n a l i t y i nf l u i dm e c h a n i c s ,a c o m m e r c i a l C F Ds o f t w a r e ,a n d h a s a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s .I n t h i s p a p e r ,f l u e n t s o f t w a r e i nt h e r e f r i g e r a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mw a s i n t r o d u c e d .F l u e n t s i m u l a t i o nw a s a p p l i e d t o r e f r i g e r a t i o n a n do t h e r m o d e r nt e c h n o l o g i e s i n t h e f i e l d o f p r o c e s s s i m u l a t i o n r e q u i r e m e n t s ,t o m e e t m o d e r n p r o d u c t i o n d e s i g n ,w h i l e t h ed e s i g no f r e f r i g e r a t i o na n da i r c o n d i t i o n i n gi s a ni m p o r t a n t d i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t .F l u e n t s i m u l a t i o nd e -s c r i b e di nt h e r e f r i g e r a t i o nf i e l d s i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n t p r o f i l e ,f o c u s i n g o n f l u e n t i nt h e p r o c e s s o f s i m u l a t i o n w a s i n t r o d u c e d .T h e m o d e l c o m p l e x i s t h e a c t u a l n a t u r e o f t h e p r o c e s s o c c u r r i n g i n t h e s y s t e ma n d t h e s y s t e mm o d e l t h r o u g h e x p e r i m e n t s t o s t u d y t h e e x i s t i n g s y s t e m o r d e s i g n .K e y w o r d s :F l u e n t ,N u m e r i c a l s i m u l a t i o n ,R e f r i g e r a t i o na n da i r c o n d i t i o n i n g ,A p p l i c a t i o n s1 前言仿真是通过模型来模拟现实系统,帮助我们了解现实系统,对现实系统进行改进,对新系统进行开发设计和规划的一种活动。
高大空间风口防结露技术措施分析摘要：根据以往建设工程项目空调系统施工、运维经验，建筑空调风系统在空气湿度大，风口送风温度低时，普通铝合金风口在空调风作用下，可能出现结露现象，对电气设备安全运行、装饰装修带来不良影响。
该文围绕国际会议中心高大空间场所空调风系统普通铝合金风口结露问题，根据风口结露原理，结合现有防结露风口研究成果和各类风口产品防结露特性，探讨一种经济、有效的风口防结露技术措施。
关键词：高大空间风口防结露技术分析一、风口结露的基本原理根据研究，在一定大气压力作用下，空气相对湿度一定时,随着空气温度降低，空气中的水蒸汽凝结为水滴(凝露)的温度t1, t1称为空气的结露温度。
在空气相对湿度不变时，随着空气温度下降，空气中水蒸气由未饱和状态变为饱和状态，既会出现空气结露现象。
在空调送风系统中，当空气中水汽已达到饱和时，此时空气温度与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。
所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。
我们可以见到的日常生活中的结露现象主要还是由于物体表面的温度和环境温度相差过大（物体表面必须是处于低温状态），使过多的水蒸气从空气中析出而在物体表面凝成水珠。
通常我们只需要把物体表面与空气隔绝，那么空气中的水蒸气自然就不会在物体表面形成冷凝水。
在同等湿度下空气露点不受温度影响，但受压力影响[1]。
二、送风口产生结露的原因分析风口表面的温度和室内环境温度（或风口四周温度）相差过大，风口表面温度较低，加之室内空气湿度较大，导致空调送风系统风口处低温空气达到露点温度，在风口表面出现结露现象，空调送风口结露的主要原因分析如下：1、随着不同地区、季节的变化，室内环境空气湿度也随之变化，当室内空气湿度较大时，既易出现结露现象，例如沿海地区夏季，华南地区梅雨季、西南地区夏季等。
2、空调系统室内机送风量与冷量不匹配，导致空调送风冷量过大，风量过小，空调本身采用大温差送风，而对机器本身的送风量与冷量不匹配，冷量过大，风量过小，使送风口周边空气达到露点温度。
汽车空调除雾性能数值模拟于剑泽1李飞2乔鑫3孔繁华4（华晨汽车工程研究院，沈阳 110141）摘要：汽车空调除雾性能对汽车的安全性至关重要。
本文通过STAR-CCM+中的稳态计算来预测汽车空调的除雾性能，用瞬态分析模拟雾层消除过程，考察当前风道的除雾效果。
通过与国标要求进行对比，为汽车除雾系统性能的模拟工程提供了参考。
关键词：计算流体力学（CFD）、空调系统、除雾分析、STAR CCM+Numerical Simulation for Automotive HV AC Defogging PerformanceJianze Yu1 Fei Li2 Xin Qiao3 Fanhua Kong4Brilliance Automotive Engineering Research InstituteAbstract：The defogging performance of automotive HVAC is very important for driving and traffic safety. The performance of defogging is evaluated by using steady simulation in STAR-CCM+，implicit unsteady simulation is used to research the contours of fog layer thickness fraction on windshield, to study the effect of defogging with current duct. Which is evaluated by referring to national standards (GB 11556-1994)，this article provides a reference to the simulation on the defog performance of automotiveKeywords:Computational fluid dynamic (CFD),HV AC system, defogging, STAR CCM+0前言汽车在雨雪天气行驶时，空气的湿度较高，空气中的水蒸气遇到冷的玻璃很容易在其表面形成雾水，从而影响严重遮挡驾驶员的视线，对安全行车十分不利。
