基于热流耦合算法的含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真技术

针对采用等效算法求解含有冷却水管的大体积混凝土温度场时无法考虑水管中水温沿程变化、不能精细计算靠近水管处的混凝土温度场问题,特提出改进的热流耦合算法,并基于ANSYS软件中的solid70单元、fluid116单元、mass flow等子程序,构建了含有冷却水管的大体积混凝土热流耦合算法的单元选择、网格划分、自由度耦合、载荷施加等关键技术,并将其应用于锦屏一级拱坝#14坝段1~4仓含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真计算中。仿真结果表明,采用改进的热流耦合算法的计算值与实测值十分接近,从而验证了改进算法的可行性。

基于热流耦合算法的大体积混凝土水管冷却仿真分析

水管冷却是大体积混凝土最为有效、使用最为广泛的温控防裂措施,而水管参数对冷却效果影响显著。本文以某混凝土重力坝的4个浇筑层为研究对象,采用热流耦合算法,对影响水管冷却效果的主要参数进行定量分析。研究结果表明:通水水温由20℃减小至8℃过程中,水温每降低1℃,混凝土最高温度降低约0.30℃。通水流量从0.9m3/h增大至1.2m3/h过程中,流量每增加0.1m3/h,混凝土最高温度降低约0.33℃;通水流量从1.2m3/h增大至1.5m3/h过程中,流量每增加0.1m3/h,混凝土最高温度降低约0.28℃。水管间距小,通水水温低,通水流量大时冷却效果较好,采用双循环水管布置形式时冷却效果较好。实际工程中应综合考虑这些参数以确定最佳冷却方案。

大体积混凝土水管冷却热流耦合算法与等效算法对比分析

介绍了有限元热流耦合精细算法,并采用等效算法和精细法对某混凝土坝的几个浇筑块进行分析,并对比了它们的计算结果.对比结果表明,从宏观上考虑,等效算法基本能正确反应出混凝土温度和应力的变化规律,但不能精确模拟水管周围混凝土在早期易开裂的现象,而精细算法能弥补这一点.分析结果也为工程实践提供相应的参考.

大体积混凝土施工期冷却水管埋设形式的优化

采用冷却水管通水冷却是大体积混凝土坝施工期主要温控措施,而冷却水管埋设布置形式对混凝土内部温度和应力的影响较为显著.利用有限元热流耦合精细算法,考虑了冷却水管中水流与混凝土之间的相互对流热交换机制,真实反映冷却水管附近温度梯度,对冷却水管在仓面上采用不同的布置方式时混凝土内部的温度和应力分布进行详细计算分析.结果表明:相比传统的水管埋设布置方式,采用冷却水管双循环的布置方式更能充分发挥水管冷却作用,且能有效改善混凝土内部的温度和应力分布,降低混凝土内部的温度梯度,对大体积混凝土温控防裂有较为积极的意义.

小温差冷却对大体积混凝土温度应力的影响效应

提出了大体积混凝土采用小温差冷却的方式,以有效降低水管周边混凝土温度梯度,减小温度应力,防止水管周边混凝土早期温度裂缝的产生。为验证小温差冷却的影响效应,本文采用三维有限元热流耦合算法,对传统低温通水冷却和小温差变温通水冷却分别进行了研究。结果表明:传统低温通水冷却水管周边混凝土温度梯度大、温降速率快,混凝土浇筑早期温度应力易超过同期的允许应力;小温差变温通水冷却水管周边混凝土温度梯度小、温降速率慢,改善了水管周边混凝土早期温度应力,避免混凝土因遭受冷却水的冷击而形成早期裂缝。小温差变温通水冷却方式将成为大体积混凝土通水冷却的发展趋势。

基于ANSYS的冷却水与混凝土之间对流换热模拟方法

热流耦合算法计算含有冷却水管的大体积混凝土温度场时,无需在水管处细化网格,网格划分方便,且可精细模拟水温的沿程温升及水管附近混凝土温度场,但需逐对耦合流体单元的附加节点与同一位置的混凝土节点来模拟冷却水与混凝土之间的对流换热,比较麻烦。对此,特描述了热流耦合算法模拟冷却水与混凝土之间对流换热的本质,并提出了一种新的方法来模拟冷却水与混凝土之间的对流换热,即用nummrg,all命令代替耦合来模拟冷却水与混凝土之间的对流换热。实例应用结果表明,新方法与传统耦合方法的计算结果相差不超过2%,由此验证了新方法可行、正确,为热流耦合算法在实际工程中的应用提供了参考。

基于ANSYS的冷却水与混凝土对流换热模拟研究

在混凝土冷却水管温控计算中,实现热流耦合算法的关键是准确模拟混凝土与冷却水之间的对流换热,以往的计算都是通过将混凝土在水管处节点与同一位置的流体单元附加节点逐一耦合来实现的,即CP方法,该方法需要逐一耦合节点,在大规模数值模拟中较为麻烦。为此,首先分析了CP方法模拟的本质,即先通过耦合使混凝土节点与流体单元附加节点温度一致,同时利用流体单元主节点与附加节点之间具有对流换热这一特性来实现对流换热过程的模拟。基于此,提出了另外两种模拟冷却水与混凝土之间对流换热的方法,即CPINTF和NUMMRG方法。通过一实例的对比分析,验证了以上两种方法的准确性。通过进一步分析得出,NUMMRG方法为最优方法。

忽略水管厚度对混凝土温度场影响的分析研究

热流耦合算法计算大体积混凝土温度场时,不需要在水管处细化网格,网格划分简单方便.而且该算法既可以考虑水流与混凝土的对流换热,又可以考虑水温沿程温升,能精细模拟水管处混凝土温度场,计算结果较可信,但是它忽略了水管厚度,这与实际不符.本文通过对比实际中有水管厚度的混凝土温度场与热流耦合算法中忽略水管厚度的混凝土温度场的计算结果,得出了尽管忽略水管厚度对水温温升影响比较大(15.1%),但是混凝土最高温度以及水管周边的混凝土温度变化范围比较小(0.60%),由此可知热流耦合算法中忽略水管厚度的混凝土温度场计算结果是可靠的,值得在实际工程中应用推广.

基于“十”字型布置冷却水管的转体拱座大体积混凝土温度场研究

在大体积混凝土中埋设冷却水管是施工期的主要降温措施之一,工程中大多采用S型冷却水管布置,对特殊结构形式的冷却效果存在局限性.本文以成都至贵阳线西溪河大桥4#拱座上盘为背景,基于热流耦合算法,分别对布置"十"字型与S型冷却水管的大体积混凝土进行温度场有限元分析.通过对比分析水管布置面的温度与温度应力分布,得出"十"字型布置方式的内部降温效果优于S型方式的;通过改变"十"字型方式布置的水管管径、水管间距、水流流速、入口温度等参数,分析对测点温度的影响规律,得出适用于"十"字型布置水管的相关参数范围.

大体积混凝土小温差的长期通水冷却

通水冷却是大体积混凝土温控防裂的主要措施,现有的通水冷却方式要求在短时间内将混凝土温度降低到目标温度,必将在水管附近产生较大的温度梯度,可产生较大的拉应力,不利于水管附近混凝土的防裂,而小温差长期通水冷却方式由于水温与混凝土温度差别较小,可减低降温梯度,减小温度应力.采用三维有限元热流耦合精细算法对大体积混凝土水管的小温差长期通水冷却进行了研究.计算结果表明:现有的通水冷却方式会产生较大的温度梯度和温降速率,使混凝土应力偏大,不利于温控防裂,初步验证了小温差长期通水冷却可以有效地减小混凝土温度梯度和应力的优点.

碾压混凝土坝混凝土垫层温控措施优化分析

考虑到防裂和便于基岩固结灌浆,碾压混凝土坝建设过程中往往在基岩上浇筑薄层常态混凝土垫层.垫层区混凝土常常产生早期裂缝,不合理的温控措施是导致垫层开裂的一个重要原因.混凝土垫层在结构形式上受地基约束大,因而施工过程中需要严格控制最高温度和温度梯度.采用热流耦合精细算法,分别对碾压混凝土坝垫层混凝土的水管布置层数、浇筑温度、通水强度、保温层以及浇筑层厚等温控措施进行敏感性分析.计算结果表明,加密水管和降低浇筑温度的温控效果最明显;对表面洒水养护和设置保温层后,需要结合其他温控措施降低混凝土垫层内部温度;垫层较薄时,分层浇筑对降低垫层温度和应力的作用不大,不需要分层浇筑.