冰盘管凝固过程传热特性的理论研究

分析了冰盘管在结冰过程中的传热规律,建立了相应的数学物理模型,并用摄动方法对其进行了近似分析求解,得到蓄冷过程中冰层内的温度分布和冰层厚度随时间变化的计算公式,并对蓄冷期间影响蓄冷性能的参数Bi、Ste进行了分析,得到一些有益的结论,可为冰盘管蓄冰系统的设计提供理论依据.     

低温地表水管内层流凝固过程的冰层增长规律

为深入挖掘地表水等环境友好型可再生能源,解决常规地表水热泵在寒冷地区应用的经济与技术难点,提出采集地表水凝固热的热泵系统的构想,为此,须掌握关键设备凝固热采集装置的管内冻结变化规律.采用近似方法分析冬季低温地表水的常壁温下管内层流流动水的冻结问题,模拟不同工况下水流的冻结特性及冰层增长的规律.分析表明:在Stefan数较小的情况下,显热影响可以忽略,可采用准稳态方法对管内水的凝固作近似分析,且该问题的控制参数仅为水和冰层表面对流换热参数.结冰初期某一参变量变化对冰层厚度的增长规律影响不明显,而随时间的增长影响逐渐加大.所得近似结果对凝固热采集装置的设计有重要指导作用,进而可使该技术拓宽到城市污水源热泵污水供水量不足的情形.     

微波除冰方法研究

为解决我国北方寒冷地区冬季道路积冰不易清除的问题,提出了应用微波加热清除道路积冰的设想.通过实验证实了冰不易吸收微波,而路面材料能够吸收大量微波.因此,微波能够透过冰层加热路面,使贴近路面的冰层融化,消除冰层与路面之间的结合力,然后就可以很容易地利用除冰机械对其清除,这样,就消除了纯机械除冰的弊病.     

高弹桥面铺装表面冰层破坏特性的断裂力学分析

提出以破冰率Rbreak作为桥面冰层破坏的定量评价指标,根据强度理论及能量法计算确定了高弹性桥面冰层破坏形式及破冰率大小,通过在冰层底部不同方向植入初始裂纹,采用断裂力学方法计算了裂纹扩展特征,首次提出了基于断裂力学方法的破冰率修正系数,得到主要结论:采用橡胶颗粒沥青混合料高弹桥面铺装层可实现桥面冰层破坏,且冰层破坏形式为受压破坏;由断裂力学方法计算得到的冰层底部裂纹扩展方式为滑开型开裂;提出以滑开型开裂对受压型破坏的破冰率修正系数为1.81.     

微波除冰方法研究

为解决我国北方寒冷地区冬季道路积冰不易清除的问题，提出了应用微波加热清除道路积冰的设想。通过实验证实了冰不易吸收微波，而路面材料能够吸收大量微波。因此，微波能够透过冰层加热路面，使贴近路面的冰层融化，消除冰层与路面之间的结合力，然后就可以很容易地利用除冰机械对其清除，这样，就消除了纯机械除冰的弊病。     

道路融雪化冰过程冰层的热融特性

通过模拟道路冰层热融过程,实验研究了热负荷、冰层厚度等对寒冷环境下冰层融化的传热规律、温度变化、融冰率和冰融水流变性的影响作用。通过研究融冰率、道路构造层和冰层温度时变规律,探索了热融冰特征。研究表明,冰层热融过程中,融冰率变化经历未融、融化加速和融化减缓3个阶段,每个阶段受热负荷作用影响明显,若采用变负荷加热,可更有利于融冰过程能量利用的综合效果。冰层厚度对路基层温度影响较大,冰层越厚,路基层温度越低。通过提高热负荷,可提升路基层温度,保证道路温度。此外,冰融水流动和移动将产生一定的路基层和路面层温度波动。     

橡胶颗粒沥青混合料破冰试验及其数值模拟

为了揭示橡胶颗粒沥青混合料的破冰机理,通过构建不同冰层厚度条件下橡胶颗粒沥青混合料与冰层相互作用的离散元数值模型,将摆值平均加权回升量及摆值平均加权回升率的宏观参数与应变能及颗粒位移的细观参数进行比较发现:在冰层厚度达到4 mm的节点处,摆值平均加权回升量及摆值平均加权回升率基本达到了恒定值;当冰层厚度为1 mm时,模型中颗粒的位移最大,克服冰层颗粒间拉力所消耗的应变能最大.最后,从宏观角度与细观角度研究了橡胶颗粒沥青混合料的破冰机理.     

饱和软土中排土桩桩侧摩阻力时效问题研究

本文在理论上分析了孔隙水消散及桩侧摩阻力增长原理。从实测资料出发，回归了桩侧摩阻力随时间增长的计算公式。根据圆孔扩张理论，推导出桩侧摩阻力最大增长值的计算公式。     

加载方向对层状构造冻结粉土抗压强度的影响

在不同温度和应变率条件下分别垂直和平行冰层对层状构造冻结粉土进行了单轴抗压强度试验,分析了2种不同加载方向对层状构造冻结粉土力学性质的影响.结果表明：垂直冰层加载时层状构造冻结粉土的应力-应变关系呈弹塑型,平行冰层加载时应力-应变关系呈黏弹塑型;相同条件下垂直冰层加载比平行冰层加载时的抗压强度和破坏应变大,二者抗压强度的差异程度与温度和应变率无关,破坏应变的差异程度与温度无关,但随着应变率降低差异程度逐渐增大;层状构造冻土的破坏主要受控于分凝冰,不同加载方向下层状构造冻土的损伤演化过程存在显著差异.     

连续输冰条件下片冰融解过程的实验研究

对连续输冰条件下片冰在融冰池中的融解过程进行了实验研究．结果表明,融冰池内冰层高度和片冰的几何大小对出水温度值的影响最大．当冰层高度在400-1000mm时,冰层高度每升高100mm,出水温度下降1．3℃左右;当冰层高度h=800mm时,片冰厚度为2mm,平均直径为15mm时,融冰池的出水温度最低为0．8℃,进水流量每增加100L／h,出水温度约上升0．7℃．     

两种立式封装板蓄冷装置实验与模拟

为了综合评价封装板蓄冰设备的蓄冷性能,进行了将有限元分析法应用于两种蓄冰槽实验装置的研究.在实验测量的基础上,分别对蓄冷过程中蓄冰装置的不同通程内蓄冰板的温度场变化进行有限元模拟研究,并对实验与模拟结果进行了对比分析.在蓄冰槽内沿载冷剂流动方向,越靠前的通程蓄冷过程越快,相界面的推进速度也越快,方形蓄冰槽要比圆形蓄冰罐的蓄冰速率快得多.新型立式封装板蓄冰设备蓄冷性能稳定,能够保证在波谷电价时间段内完成蓄冰过程,相对于水平式蓄冰设备其适用范围更广.     

导管架海洋平台结构冰致强迫振动分析

为了检验冰荷载振动理论的合理性并推动其在实际工程中的应用.首先介绍了动冰力的统一模型.然后利用动冰力函数的傅立叶级数展开,推导了在弯曲和屈曲冰力作用下,多自由度海洋平台结构反应的计算解析表达式;采用随机振动分析方法,对挤压随机动冰力作用的海洋平台结构进行了随机振动分析.最后,将方法应用于渤海某导管架结构简化模型冰振反应的分析,结果表明计算结果与实测结果具有很好的相一致性,验证了分析方法和统一动冰力模型可以较好地模拟实际的动冰力特性.     

青藏高原湖冰物候的时空变化及其影响因素

为明确青藏高原湖泊湖冰物候信息及其对气候变化的响应,以青藏高原面积较大(面积100 km2)的40个湖泊为研究对象,利用MODIS数据,采用阈值法提取湖冰物候,分析2000—2015年青藏高原湖冰物候的时空变化规律及其影响因素.结果表明:青藏高原湖泊开始结冰在11月初—12月中旬,完全结冰在11月中旬—次年1月初,开始融化在3月中旬—5月初,完全融化在4月中旬—6月初,封冻结冰期176 d左右,完全封冻期130 d左右.湖冰物候有明显区域差异,北部湖区开始结冰期早,完全融化期晚,封冻期长;南部湖区开始结冰期晚,完全融化期早,封冻期短.2000—2015年,大部分湖泊湖冰物候变化趋势不显著.北部湖区封冻期和完全封冻期波动较大,而东部和南部湖区完全封冻期变化程度小.湖冰物候时空变化主要受温度、降水、风速的影响,温度是主要的影响要素,温度升高或降雨增加都会使封冻期缩短,风速对湖冰物候有一定的影响.     

长距离渠系冰期运行过渡模式研究

高纬度地区的长距离输水渠系在冬季输水时,冰封初期渠道内水内冰、浮冰和冰盖容易引起冰塞、冰坝等灾害,严重影响渠道输水稳定和工程安全,冰害防治是渠道冬季输水的关键技术.在渠道正常明渠大流量输水状态情况下,根据提前3d寒流预报,通过自动控制手段使全线渠内水流流速降到0.4m/s以下,以便形成稳定冰盖,达到平封状态并过渡到冰期运行模式.采用控制与仿真模型,结合南水北调中线干渠的设计数据,在MATLAB平台上进行仿真计算,仿真结果表明可以在目标时间内完成状态过渡.     

冰对水工结构物作用力的物理模拟-I.模型冰分类和发展

在冰对水工结构物作用力物理模拟试验和研究中,模型冰是决定试验成功的核心技术之一.其性能直接决定着冰物理模拟试验的设计方案和应用范畴.围绕模型冰分类,介绍国内外开展冰物理模拟试验使用的模型冰种类及其特点.     

覆冰输电塔线体系风振响应数值模拟

输电塔线体系对风作用敏感,在冻雨区要考虑风和覆冰的共同作用.以常用输电塔5A-ZBC2为基础,综合已有资料,建立了输电塔线体系的覆冰模型.应用随机风振响应分析方法,分析了不同覆冰厚度和不同风速下的输电塔线体系的风振反应.结果表明:风速越大,随着覆冰厚度增加,塔顶位移最大值增大速度加快,脉动风作用效应明显;在较低风速下,随着覆冰厚度的增加,不平衡张力增大很不明显,而在较高风速下,随着覆冰厚度的增加,不平衡张力增加迅速;不均匀覆冰是导致输电线路不平衡张力迅速增加的主要原因;我国电力行业标准中关于纵向不平衡张力的取值偏于不安全,考虑覆冰和风荷载共同作用时应提高断线工况下不平衡张力设计值.     

冰浆水平直管非均匀输运特性研究

通过建立CFD-PBM耦合模型,研究含冰率与流速对水平直管内冰浆的冰晶体积分数与粒径的分布规律,着重分析了冰浆管内非均匀流动过程的输运特性。研究结果表明:含冰率对冰晶体积分数及粒径演化有显著影响,含冰率越高,冰晶体积分数越大,冰晶平均粒径越大;而流速对冰晶体积分数分布的影响主要在于近壁面区,流速增大主流区的冰晶体积分数几乎不变,而近壁面处冰晶体积分数则有所下降;随着流速的增加,冰晶粒径增大,但增加的速率逐渐下降。     

一种SAR影像冰水边缘线提取算法

针对在低海冰密集度区域采用被动微波获取的海冰密集度数据会低估真实的海冰密集度值,从而不能准确地得到冰水边缘线位置的问题,文中基于高分辨率合成孔径雷达影像设计并实现了在低海冰密集度区域准确提取冰水边缘线的算法．该算法将海冰在合成孔径雷达影像中强度和对比度差异较大的曲线特征,通过边缘检测的方法统一为边缘信息．根据海冰与海水区域边缘信息丰富程度的差异,采用曲波域多尺度主动轮廓模型迭代搜索边缘信息丰富区域的轮廓,即为冰水边缘线的位置．实验表明,该方法能够在低海冰密集度区域准确地提取冰水边缘线,与采用被动微波海冰密集度数据得到的冰水边缘线相比,准确率有了大幅的提升．     

新型装配式冰场受力性能试验与模拟分析

为在2022年冬奥会期间将国家游泳中心泳池场地改造为冰壶场地,结合临时场地的新型制冰方式,提出了一种全装配式的冰壶场地及支承结构体系的构造作法.对此装配式冰场进行了现场试验测试和有限元受力性能分析,研究了装配式冰场的自振频率和振型特点,分析了冰场在使用荷载作用下的整体变形和各组件的应力水平,探讨了极端荷载作用下冰面受力、变形及开裂等关键问题.研究表明,所提装配式冰场方案具有较大刚度和承载力,能够满足冬奥会冰壶比赛对冰面的要求；此类冰场宜使用轻型浇冰车作业,大型浇冰车轮压引起的弯矩和剪力作用下冰面存在开裂的可能.     

冰弯曲破坏的弹塑性近场动力学模型

为提高粒子方法模拟冰力学性能的准确性,尤其是模拟冰在破坏过程表现出的塑性变形特性,建立了基于无网格粒子法近场动力学理论的冰弯曲破坏弹塑性本构模型。以积分形式表示的近场动力学是一种新兴的非局部理论,它可以应用于无外设准则的破坏过程预报研究,即使在不连续的物体中,仍对变形体有效。首先,依据Von-Mise屈服面准则,建立了基于塑性应变增量与塑性应力增量变化的冰弹塑性本构模型。然后,分析了该模型的边界条件施加方法和冰的失效判断准则。接着,介绍了本构模型在FORTRAN环境下的数值计算方法。最后,利用常规状态型近场动力学方法模拟冰的四点弯曲破坏过程,预报了时间历程的压力曲线。通过冰的四点弯曲过程数值模拟结果与实验结果的比对分析表明,数值模型预报的冰破坏过程、裂纹扩展模式以及压力曲线和试验结果有较高的一致性。由此本文建立的数值模型能够应用于冰的弹塑性弯曲破坏过程预报。该本构模型为模拟船舶在水平冰中航行时的实际破冰过程提高了基本数值策略。