北方寒冷地区封闭渡槽粘贴聚氨酯板提高保温效果

为了研究封闭渡槽在冬季低温环境下的安全运行状况,结合中国北方寒冷地区某无压输水渡槽工程实际,通过在室内环境箱中进行渡槽比例模型试验,研究了渡槽在冬季输水过程中,水流温度受外界环境温度及流速的影响。为保证渡槽在冬季寒冷条件下的安全运行,在渡槽模型表面粘贴聚氨酯保温材料,研究了聚氨酯保温板对渡槽的保温效果,并与不粘贴保温材料时渡槽内的水流温度进行了对比。经试验发现,渡槽外壁黏贴聚氨酯保温板在防止渡槽水流温度降低方面的作用明显,减小了约45%的水流温度降低值,研究成果可为北方寒冷地区同类型工程的设计与安全运营提供参考。     

旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿

渠道在农业灌溉和长距离调水工程中作为首选输水形式发挥着重要的作用。但因旱寒区输水渠道渗漏与冻胀互为因果形成恶性循环，导致渠道渗漏、冻胀、隆起、架空、失稳滑塌等冻融老化破坏普遍且严重，直接影响工程输水效率及渠道的安全运行与效益发挥。该研究着重从探究渠道冻融破坏机理而进行的室内试验和现场原型监测、工程力学模型、水-热-力耦合数值模型及防渗抗冻胀技术等方面论述了旱寒区输水渠道防渗抗冻胀的研究进展；在此基础上，指出了太阳辐射、冻融、盐渍化等复杂环境及冬季输水、水位骤降等运行工况下的渠道多场耦合破坏机理及相应的多场耦合数值模型、衬砌-冻土相互作用模型、失效准则与设计方法、防渗抗冻胀措施标准化及渠道灾变过程与防控技术等渠道防渗抗冻胀有待研究的问题和难点；探讨了完善和提升旱寒区渠道防渗抗冻胀的设计理论与方法、建立全生命周期内的灾变链动态演变预警模型等未来发展方向及趋势，为旱寒区输水渠道工程科学设计与安全高效运行提供指导。     

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。     

长距离控制渠系结冰期的水力响应分析

为了确保长距离控制输水渠系冬季安全输水,需要对其进行冬季输水模拟及实时运行操作控制研究。该文考虑了控制渠系与天然河道输冰的不同,以平封冰盖形成为前提,初步建立了长距离控制渠系在结冰期的渠系响应模型,包括水位、流量、闸门操作、水温过程和冰盖变化过程的模拟仿真。利用南水北调中线工程京石段资料在较简单工况下,对控制渠系在下游常水位的反馈比例积分（PID）控制器作用下进行模拟并分析模拟效果,指出冰盖糙率、控制器参数和控制策略对渠系水力响应的影响很大。研究表明该模型可用于长距离控制渠系结冰期的运行模拟及分析冬季结冰期运行规律,在此基础上可以研究得到更精确更贴近实际的模型。     

长距离输水渠道电热防冰冻技术现场试验及功率计算

因冬季水面冻结,寒区渠道的停水期最长可达半年,对渠道输水效益的发挥和当地经济发展影响巨大。为延长寒区渠道冬季的输水时长,研究团队前期提出了长距离输水渠道电热防冰冻技术,并开展了室内模型试验。在前期模型试验的基础上,研发了3种铝制传热装置,选取集肤发热电缆,设计了电源控制和加热功率控制电路,在新疆635工程50 km处的退水渠上建立了现场试验段,进行了历时一个冬季的现场试验观测。同时,理论推导了保持加热区渠水不结冰的加热功率计算式。现场试验结果表明,所设计的电加热系统可以保证渠道冬季输水时不形成岸冰,有效延长渠道冬季运行时间;所设计的传热板传热效率较高,环境温度为-20 ℃时,维持加热装置附近5 cm范围内的水体不结冰,所需要的加热功率为120 W/m;环境温度为−15 ℃时其所需的加热功率为84 W/m,与保障输油工程冬季正常运行的加热功率相比,装置能耗较低。推导的不同环境温度下加热功率的计算式,可以准确计算保障渠道冬季运行的加热功率,为加热电路容量设计提供理论基础。     

基于流固耦合模型的U型渡槽模态分析及验证

为提高渡槽结构工作模态特征的准确度,结合附加质量法原理和流固耦合（fluid solid interaction,FSI）系统理论,以景电工程输水渡槽为研究对象,建立不同形式的固-液耦合模型,对其进行工作模态数值分析,并将数值分析结果与采用小波阈值-经验模态分解联合滤波的希尔伯特-黄变换法（hilbert-huang transform,HHT）实测提取的频率值进行对比。结果表明：考虑FSI系统耦合模型的结果与HHT辨识结果吻合的较好,最大误差值为4.59%,比附加质量模型最大误差小5.97百分点,同阶次频率误差均比附加质量模型小,且弥补了附加质量模型出现的模态缺失现象。可见考虑FSI系统耦合模型的计算结果在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能准确反映渡槽结构的工作特性,可用在渡槽结构动力特性分析中,亦可作为后续渡槽结构损伤诊断研究的基准有限元模型。     

南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真研究

冰情演变数值模拟是解决南水北调中线工程冰期输水安全与效益问题的重要手段。该文建立了南水北调中线工程总干渠冰期输水调控仿真模型,包含明渠非恒定流、浮冰盖下非恒定流、水温、冰花输移、封冻、冰盖增厚、融冰和闸门调节等仿真功能,且推荐京石段水面热交换系数取值18 W/(m~2·℃),冰面热交换系数取值26 W/(m~2·℃)为参数较优取值,参数率定工况下水温平均绝对误差为0.07℃,冰盖厚度平均绝对误差为0.67 cm,封冻时刻误差小于1 d,表明该模型在水温、封冻时刻、冰盖厚度等方面的模拟具有一定的准确度,可为相关研究提供参数取值参考。同时在京石段工程上应用该模型,进一步证实了模型及参数取值在大尺度冰情模拟上具有一定适用度,模型具备模拟冰情演变全过程及对应水力响应和闸门群调控过程的功能,揭示了渠系冰期输水水力响应变化特性,认为PI控制器可实现冰期水力响应控制和维护运行状态稳定作用。     

基于聚合模型的水库群引水与供水多目标优化调度

该文以深圳市城市供水系统中的公明供水调蓄工程为例,对区域水资源的合理配置和高效利用展开研究。工程中公明水库被用作城市供水的储备水源,以防止连续枯水年份或发生水污染等严重事件对城市供水构成的巨大威胁。为此,充分考虑调蓄工程的供水运行特点,将调蓄工程中的水库群聚合为"虚拟水库",并建立调蓄工程的引水与供水调度模型;调度模型以引水量最小和公明水库换水量最大为目标函数,采用多目标遗传算法NSGA-II对引水与供水调度模型进行优化求解。在此基础上,采用模糊优选方法在Pareto优化解集空间中寻找满意解,并选择3个代表解对调蓄工程的供水进行模拟。对比与分析模拟计算结果,表明优化调度模型能够高效利用外流域引水资源和提高公明水库的水量交换。     

基于二次滤波的HHT渡槽模态参数辨识方法

针对大型渡槽安全运行评估问题,提出一种环境激励下基于二次滤波的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)模态参数辨识方法。采用小波阈值与经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)结合的二次滤波方法滤除运行环境中强噪声干扰,凸显结构动力特性,有效避免了模态混叠问题;根据奇异熵增量理论确定系统阶数,应用HHT方法辨识降噪后信号,提高辨识准确性和精度。将该方法应用于景泰川二期三泵站输水U型渡槽,辨识正常输水工况下结构前5阶模态参数,建立该渡槽第一跨三维有限元模型,并计算模型同工况下前5阶模态参数,对比模态参数辨识结果与有限元仿真结果。对比结果表明:2种方法计算结果非常接近,最大误差为4.4%。说明基于二次滤波的HHT模态辨识方法能准确高效辨识强噪声背景下结构模态参数,可将该方法推广到大型渡槽结构中,为渡槽安全运行评估和健康在线监测提供新思路,应用前景广阔。     

联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析

为克服现有冬季输水梯形渠道冻胀力学模型未充分考虑冻结区与水下非冻结区差异,以及未考虑土体连续性的不足,该研究根据冻土与非冻土剪切刚度的不同,冻结区采用Pasternak双参数弹性地基梁模型,而非冻结区采用Winkler模型,综合Pasternak模型考虑土体连续性及Winkler模型易于求解、所需参数少的优点,提出联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析方法。以新疆玛纳斯河流域某冬季输水梯形渠道为例,计算渠坡衬砌板法向变形,并将本文模型、Winkler模型、Pasternak模型计算结果与观测值进行了对比分析,最后计算了衬砌板截面弯矩及上表面应力分布。结果表明：衬砌板法向变形可分为冻胀段、沉降段及冻胀-沉降过渡段三个部分,三种模型计算结果均能较好地反映衬砌板法向位移基本变化趋势,且本文模型计算结果与实测值更加接近,表明了模型合理性。衬砌板易开裂位置位于冻土区距离水位线10.0%～23.3%坡板长处,与工程实际相符。本研究可为寒区冬季输水梯形渠道抗冻胀设计提供科学参考与理论依据。     

全玻璃真空管太阳能集热器对流换热试验与模拟

以可再生能源总能系统为研究背景,通过搭建太阳能辅助燃料电池试验平台,逐步完成不同涂层材料、内置导流板太阳能集热器自然对流试验研究;在试验验证基础上,分别建立太阳能集热器自然对流和强迫对流三维数学模型,应用场协同和火积理论分析流动和传热数据。自然对流研究表明,吸收率在0.95~1.0、发射率在0.06~0.16时,随吸收率升高,发射率降低,热效率升高1.71%,火积增量逐渐增大;加装导流板后,真空管内部混流消失,底部流动得到强化,实验热效率提高2.17%;确定全玻璃真空管热水器导流板合理板厚为2 mm,合理板长为距离真空管底部60~100 mm,合理位置为中心线以上16~20 mm;强迫对流研究表明,横双排集热器雷诺和努赛尔数、火积增量均高于竖单排集热器,火积耗散低于竖单排集热器。确定太阳能辅助燃料电池集热场在中低温条件下,自然对流采用内置导流板集热器,强迫对流采用横双排集热器。     

蓄冷保温箱真空隔热蓄冷控温传热模型与验证

为掌握不同参数对蓄冷控温特性的影响,建立了真空隔热蓄冷控温试验平台,以脐橙为试验对象,根据热平衡理论,建立蓄冷控温传热数学模型,并进行试验验证,进一步分析了不同参数对蓄冷控温特性的影响。数学模型计算结果表明,随着真空隔热板厚度的增加,在0~8℃温度的控温时间越长;当外界恒温30℃、真空隔热板厚度为25 mm时,0~8℃温区控温时长为106.14 h。试验结果表明,模型计算结果与试验结果吻合,控温时长平均误差为2.60%;当外界平均温度为33.5℃、真空隔热板厚度为20 mm、有太阳辐射时,在30 min内试验平台内温度由29.5℃降至7.2℃,降温速度较快。应用数学模型分析不同参数影响,结果表明:不同车速对传热速率的影响不显著;传热速率随着真空绝热板厚度的增加而下降,下降趋势呈指数变化;相同控温时长时,所需蓄冷剂质量与真空绝热板厚度呈指数变化;真空绝热板越厚,温度下降速率越快;太阳辐射会使控温时长缩短13.79%。该研究结果为蓄冷控温型运输装备的结构优化设计及蓄冷剂的选型、用量提供一定的参考价值。     

地下工程地埋管水箱并联水环热泵空调系统设计与控温方案

基于红外伪装和节能的双重需求,该文提出一种应用于地下工程的地埋管水箱并联水环热泵系统。在对该系统理论分析的基础上,提出阶段控制和全年控制2种室内温度控制方案。以北京某地下工程为例,借助TRNSYS软件对该系统进行了设计与分析。结果表明,采用阶段控制方案在过渡季可以改善人体的热舒适,采用不同温度控制方案对平时间歇运行的地埋管系统影响不大,热泵系统在40 a周期内均能够保证空调负荷需求。研究对象的平时空调冷负荷远大于热负荷,战时均为制冷模式,其峰值冷负荷约为平时的3.15倍。最后以耗水量和占地面积为指标,对比分析了"地埋管+静态水箱"和"地埋管+动态水箱"2种冷热源方案,认为该工程采用"地埋管+动态水箱"复合冷热源方案更优。该研究为地埋管水箱并联水环热泵系统在地下人防工程应用提供了理论基础。     

基于混合解换热模型的地源热泵系统井群热干扰特性

为建立井群换热快速求解模型并研究其热干扰特性,提出了一种基于解析-数值计算的混合解模型,以16井群为研究对象,通过试验和数值模拟的方法研究了井群热干扰特性。研究结果表明:随着换热的进行井群中各井间产生热干扰并逐渐增强,同一运行时刻中井受热干扰程度最大、边井次之、角井则最小;由于井间热干扰的影响,角井换热能力最大、井壁温度最低,边井换热能力和井壁温度居中,中井换热能力最小、井壁温度最高,则运行90 d时角井换热量比边井大6.5%,边井换热量比中井大7.1%;角井对井群换热量的贡献率随换热时间延长逐渐增加,中井对井群换热量的贡献率则逐渐减少,而边井对井群换热量的贡献率基本不变。     

单井循环地下水源热泵换热特性CFD模拟与验证

针对单井循环地下换热系统CFD模拟研究的不足,建立了该系统多区域耦合的CFD模型用于研究其地下水流动和换热特性。结果表明,循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井CFD模型的抽水温度和含水层特征点温度模拟结果均与试验测试结果吻合较好,3种热源井25 min的累计取热量相对误差分别为12.1%、3.0%和8.2%。所建立的3种热源井CFD模型可以用于分析和预测实际单井循环地下换热系统中热源井特性、含水层流场和温度场的变化情况,并能提供较为准确的模拟数据。     

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

考虑水分迁移及相变对温度场影响的渠道冻胀模型

冬季渠基冻土中水分迁移及相变产生的巨大潜热对温度场影响显著,由此,该文建立了考虑水分迁移与相变潜热的渠基土体冻胀模型。模型将冻土视为低温膨胀性材料,将相变潜热作为材料的等效热容加入热传导方程中;根据Clapeyron方程和达西定律建立饱和冻土冻结锋面处水分迁移表达式,并以迁移水相变潜热作为热传导方程热源项;采用COMSOL对模型算例求解,与不考虑相变和水分迁移的模型比较发现：相变作用对渠道温度场和变形场影响较大,考虑相变后,冻深推进缓慢,且冻深减小,衬砌板变形整体减小,较不考虑相变的模拟结果更接近实际情况,验证了本模型的合理性,为寒区工程冻胀设计提供参考。     

Modelling soil temperature in forest clearcuts using climate station data

A physically based numerical model was developed to estimate the time courses of soil temperature in forest clearcuts from measured solar irradiance, air temperature and wind speed. The model is based upon a finite difference solution of the one-dimensional soil heat flow equation with a surface boundary condition determined from aerodynamic heat transfer and energy balance theory.Modelled soil temperatures were compared with data from two other studies reported in the literature and with temperatures measured in a forest clearcut during 6 and 16 day periods in the summer. The model calculated surface and subsurface soil temperatures accurately over these long intervals. Modelled soil temperatures were relatively insensitive to air temperature, soil thermal properties and the lower boundary soil temperature but quite sensitive to solar irradiance, wind speed and surface roughness.