混凝土结构表面保温对矩形渡槽水温的影响

刘洋

（鞍山水文局，辽宁 鞍山 114039）

我国的北部寒区冬季气温偏低，同时日温差较大，输水渡槽容易结冰，并对输水过程和渡槽的结构安全造成不利影响[1]。在渡槽的外表面增设保温板对混凝土保温隔热，具有操作方便，保温效果好的优势，在水利工程中具有广泛的应用。针对渡槽混凝土外表面常用的聚氨酯硬质泡沫塑料，如何在保证保温效果的前提下兼顾其经济性就成为重要的研究课题。

1 保温板保温原理

在混凝土渡槽外表面设置保温板可以有效阻止混凝土与冷空气的热交换，起到显著的保温作用。保温板与周围大气接触面属于第三类边界条件，表面敷设有保温板的混凝土结构表面温度满足如下公式：

式中：λ为保温板的导热系数；β为保温板的外表面散热系数；Ta为大气温度，℃；T为渡槽内水温，℃。

由于复合材料构成比较复杂，特别是混凝土和保温材料的热力学属性差异较大，采用简单的传导方程进行散热计算无疑是不准确的，近年来部分专家在原有方法的基础上进行了一系列的方法研究[2]，下面主要介绍等效表面散热系数法，其计算公式如下：

式中：K为修正系数，主要由风速以及保温板与混凝土的接触紧密性等条件决定，通常取0.14～0.16；hi为保温板的厚度，m；λi保温板的导热系数。

2 保温材料简介

保温材料指的是抵抗冷流入侵的材料或材料复合体。目前，岩棉、玻璃棉以及膨胀珍珠土等传统保温材料虽然价格较低，但是存在导热系数大、吸湿性差等显著缺陷，并不是混凝土渡槽的理想保温材料。相对于普通保温材料，以聚氨酯硬质泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料等新型保温材料虽然价格稍高，但是具有密度小、导热系数小、吸湿性小、施工方便等诸多优势[3]。其中硬质聚氨酯泡沫塑像作为一种高质量的保温材料，具有良好的化学不变性和良好的耐磨性，在水利施工领域得到了广泛应用，其具体理化性能如表1所示。

表1 硬质聚氨酯泡沫塑理化性能

根据GB50176-93《民用建筑热工设计规范》，硬泡聚氨酯保温层材料的比热容为1390 J/（kg·℃），根据公式（2）计算获得不同厚度聚氨酯保温板的表面散热系数，结果如表2所示。

表2 不同厚度聚氨酯保温板表面散热系数

3 计算模型的建立

在研究过程中，以某输水工程的混凝土渡槽为例，建立ANSYS有限元模型。其中，渡槽的长度取10 m，宽度取4.5 m，高度取4.2 m，混凝土壁厚取0.2 m。渡槽内的水体长度和宽度与渡槽规格一致，高度按设计流量折算为3.22 m。混凝土渡槽槽体选用热质量单元solid70，水体选用三维的fluid 142单元。在平面直角坐标系下对构建的三维数值模型进行网格划分，由于水体是主要研究对象，因此水体的网格间距设定为0.1 m，槽身的间距设定为0.2 m[4]。在有限元计算过程中，将外界温度场设定为稳定温度场，水的入口温度定义为4℃，环境温度分别取-11℃，-16℃，-25℃极端气温。考虑到我国北方寒区冬季气温较低，太阳与水的相互辐射量很小，在计算过程中不予考虑[5]。此外，水体沿Z方向基本不存在温度变化，因此仅考虑X，Y两个方向的热通量。

4 计算结果及分析

4.1 采用聚氨酯保温层的热通量计算

显然，渡槽内水流速度慢，外界环境低的情况下，水体散失的热量最多，水温下降也最快[6]。因此，在热通量计算过程中，采用入口流速为1.00 m/s，外界环境温度为-25℃工况，利用有限元模型对不同厚度保温层条件下的热通量进行计算。由计算结果可知，当保温层的厚度分别为2，5，7 cm时，水体沿混凝土渡槽侧壁X方向的热通量分别为3.1，2.2，和1.8 w/m2；沿Y方向的热通量分别为3.3，2.3，和1.8 w/m2。总体来看，热通量随着保温层的厚度增加而递减，说明保温层越厚，热量通过渡槽侧壁的散失越少，保温效果越好。但是，当保温层厚度大于5 cm时，热通量的减少幅度明显收窄，因此，考虑到经济性，将保温层厚度设定为5 cm即可达到预期的保温效果。

4.2 水温计算

根据上节的计算结果，采用厚度为5 cm的聚氨酯硬质保温板，对水体流速为1.00 m/s，-11，-16，-25 ℃不同的外界环境温度荷载，运用有限元模型求得的热通量计算出渡槽平壁传递的热量，并进一步获得渡槽内的水温。不同环境温度工况下的渡槽内水的热量损失和平均温度的计算结果如表3～5所示。从表格中的数据可以看出，随着渡槽长度的增加，槽内水体热量损失也不断增加，而槽内水温则持续降低，但是在-25℃的最不利工况下，2 200 m处槽内水温仍有3.171℃，完全可以满足输水保温需求。

表3 环境温度为-11℃时热量损失与平均温度计算结果

表4 环境温度为-16℃时热量损失与平均温度计算结果

4.3 渡槽有无保温层的温度对比

在水体流速为1.00 m/s，-11，-16，-25 ℃3种不同的外界环境温度荷载条件下，对渡槽内水体温度进行计算，得到如图7～9的温度对比曲线。由对比曲线可知，在渡槽混凝土外表面敷设聚氨酯保温板可以提高槽内水温1～3℃，同时外界环境温度越低保温效果越明显。因此，厚5 cm的聚氨酯硬质保温板可以起到有效的保温作用，对保证渡槽在冬季低温情况下的正常输水以及槽体本身的结构安全具有重要作用。

表5 环境温度为-25℃时热量损失与平均温度计算结果

图1 -11℃工况下渡槽水温对比曲线

图2 -16℃工况下渡槽水温对比曲线

5 结论

文章针对我国北方寒区矩形渡槽外面敷设聚氨酯保温层情况下的水体温度效应，并获得了如下结论：

1）渡槽外壁敷设保温层可有效阻止热交换，减少槽内水体的热量损失，提高水体温度。

图3 -25℃工况下渡槽水温对比曲线

2）以某输水工程的混凝土渡槽为例，建立ANSYS有限元模型，计算出不同环境温度工况下的渡槽边壁热通量，考虑经济性和保温效果，确定保温层厚度为5 cm。

3）随着渡槽长度的增加，槽内水体热量损失也不断增加，而槽内水温则持续降低，但是在-25℃的最不利工况下，2 200 m处槽内水温仍有3.171℃，完全可以满足输水保温需求。

4）渡槽有无保温层的温度对比显示，聚氨酯硬质保温板可以起到有效的保温作用，对保证渡槽在冬季低温情况下的正常输水以及槽体本身的结构安全具有重要作用。