基于CFD模拟的管片蒸养窑热油管优化布置研究

张建

摘要：为保证混凝土管片的强度与质量，掌握混凝土管片在蒸养过程中蒸养窑的蒸汽温度场，采用流体力学软件对混凝土蒸养窑进行温度场模拟。基于能量方程式的理论原理和标准模型，采用CFD模拟方法，研究在不同热油管布置方案下，蒸养窑内部各水平高度的蒸汽温度场分布情况。案例分析表明，调整热油管布置方式能使蒸养窑温度场分解更加科学合理。

Abstract： In order to ensure the strength and quality of concrete tube slices， and master the steam temperature field of the autotrophic kiln during the autotrophic process of concrete tube slices， hydrodynamics software is used to simulate the temperature field of the autotrophic kiln. Based on the theoretical principle of energy equation and standard model， CFD simulation method is adopted to study the distribution of steam temperature field at different levels and heights inside the steam curing kiln under different arrangement schemes of hot tubing. The case study shows that the temperature field decomposition of steam kiln can be more scientific and reasonable by adjusting the arrangement of hot tubing.

关键词：盾构管片;混凝土蒸养;CFD模拟;温度场;热油管

Key words： tunnel segment;concrete steaming;CFD numerical simulation;temperature field;heat oil pipeline

中图分类号：TU528                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）06-0142-03

0  引言

隨着轨道交通的迅速发展，盾构法施工得以大量运用。但是，盾构法施工依赖于高强度高质量的混凝土管片。为保证管片蒸养中达到预期强度，需要严格控制蒸养温度[1]。

目前，国内外学者致力于研究混凝土蒸养过程中水化热反应对混凝土强度的影响，张雷顺等[2]结合传感器和光学射线研究了蒸养过程中水化物和微结构反应，发现蒸养温度的改变对混凝土表层孔结构影响显著;徐子芳等[3]采用基本力学和导热系数测定试验分析了水化物的特性，结果表明蒸养温度增加可提高粉煤灰水泥强度;齐莉莉等[4]研究发现恒温养护温度与养护时间对地铁管片高耐久混凝土的抗渗性能影响显著。

上述研究肯定了蒸养温度是影响混凝土强度的重要因素，但缺乏对蒸养温度控制的研究。因此，建立混凝土管片蒸养窑空间结构模型，布置虚拟热油管网路，运用能量方程式，进行CFD的温度场模拟，使得混凝土管片蒸养窑温度空间分布科学合理，优化蒸养窑热油管路布置，对混凝土管片蒸养窑的温度控制与节能减排具有重要意义。

1  蒸养窑温度场案例模型建立

养护温度对混凝土的早期性能的发展速度有很大的影响，为分析蒸养窑内部蒸汽温度场分布情况，采用流体力学仿真软件[5]对管片厂混凝土蒸养窑温度场数值模拟。

以中国水利水电第七工程局有限公司新津管片厂蒸养窑为案例，使用ANSYS系列软件构建蒸养窑模型，并将蒸养窑内部使用正方体为单元有限元化，选用Fluent软件对蒸养窑进行模拟，其运算基本原理为质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律[6]，温度场与流场计算是相关联的，由于在本研究中单独讨论流场问题时，热交换能量损耗极小，故只需将动量方程与连续性方程联立便可获得流场分布。

对于单相流模型，内部湍流强度大，雷诺系数较高，因此选用标准k-？着模型即可反应蒸养窑内部温度流场又可以提高迭速度。

本次模拟选取了两种不同方式布置蒸养窑热油管，见图1。其中布置方式A（见图1（A））为新津管片厂设计布置方式，升温区和降温区布置4根直径0.4米的热油管，恒温区布置8根直径0.4米的热油管;布置方式B（见图1（B））为改进后的布置方式，升温区和降温区布置5根直径0.4米的热油管，恒温区布置12根直径0.4米的热油管。各区域热油管温度设置见表1。

2  温度场模拟结果分析

根据新津管片厂蒸养窑设计尺寸，结合两种布置方式，在同种热源温度下使用MESH构造蒸养窑三维模型，并进行有限元网格划分，然后将三维模型导入Fluent，选用k-？着湍流模型及能量守恒方程[8]。相同温度不同布置方式下，模拟结果为：

①布置方式A模拟结果图。

②布置方式B模拟结果图。（图3）

③恒温区不同高度温度曲线图。

如图2、图3所示，在Z=1高度布置方式B的温度场承椭圆形，温度由区域中心向四周递减扩散;在Z=2高度，布置方式A温度场图形发生明显变化，而布置方式B的温度场图形仍是承椭圆型。如图4所示，在相同热源温度布置下的恒温区，布置方案B可以达到更高的温度。

為达到温度控制及节能的目的，优化布置方案B，使两种布置方案能够达到相近温度，优化后温度布置如表2所示。

如图5所示，布置方案B经过优化后，各区域热源温度减少70℃，模拟温度曲线明显接近于布置方案A的原始温度，达到预期效果。

3  结语

盾构法施工蒸养制度对混凝土的蒸养温度控制要求极高，为精确控制蒸养窑内部蒸汽温度，剖析混凝土蒸养的温度要求，通过改变蒸养窑热油管路布置方式，以期寻求最优管路布置方式。

案例分析表明，在热源温度相同的情况下改进原设计方案，通过缩短热油管间距、增加热油管数量，可以使各温区的蒸汽温度达到更高，且恒温区的温度场更加饱和。

混凝土蒸养需要精确控制各种环境因素，结合热油管路布置优化方案，研究蒸养窑内湿度控制方案是后续工作的重点。

参考文献：

[1]谢友均，王猛，马昆林，等.不同养护温度条件下蒸养混凝土的冲击力学特性[J].建筑材料学报：1-16.

[2]张雷顺，张敏，葛巍，等.考虑温度效应的PCCP蒸养阶段温度场分析[J].建筑材料学报，2016，19（05）：855-859.

[3]徐子芳，张明旭，朱金波.高温蒸养对粉煤灰水泥基材料水化产物结构的影响[J].材料热处理学报，2011，32（08）：28-31.

[4]齐莉莉，李雪梅.蒸养制度对地铁管片混凝土抗渗性能的影响[J].低温建筑技术，2018，40（07）：16-18.

[5]崔溦，宋慧芳.自密实混凝土流动性及浇筑过程的CFD数值模拟[J].混凝土，2017（08）：111-115.

[6]王发龙，刘振鸿，朱贻鸣，等.基于CFD模拟改良型厌氧折流板反应器（mABR）水力特性[J].环境工程学报：1-11.

[7]王星宇，杨立，许恩赐.稳定温度分层流的数值模拟与实验研究[J].科学技术与工程，2015，15（28）：174-178.

[8]夏萍，颜丽华，褚护生，等.基于FLUENT的PTC加热器工艺参数优化及其数值模拟[J].应用科技，2017，44（03）：61-66.