想必现在好多人对于加热时预热的操作方面的知识都比较想要了解，如今小编也是在网络上整理了一些关于凝冰预警的优缺点方面的知识分享给大家，希望可以帮助到你。

摘 要：为研究预加热对机场道路融雪化冰效率的影响，在大型恒温实验室中制作埋设了碳纤维发热线的机场道路试件，并进行了无预热与有预热融雪化冰模型试验。试验结果表明：融化相同体积的冰雪，采用预加热的方式效率更高，且能源消耗更低。通过ANSYS数值仿真软件建立机场道路试件的模型，进行无预热与有预热的数值仿真计算，将计算结果与试验结果进行验证及分析，发现通过数值仿真软件计算得到的结果符合实际规律，且可以通过更精确合理的边界条件提高结果的准确性，为实际机场道路融雪化冰方案的设计提供有效的软件支持。

关键词：道路工程;机场道路;融雪化冰;碳纤维发热线;数值模拟;

基金：湖北省技术创新专项重大项目，项目编号2018AAA028;

但上述研究主要是在路面已经覆有冰雪的基础上进行，没有考虑在降雪结冰前预先将路面加热对路面融雪化冰的影响。本文通过制作机场道路试件，并分别在恒温试验室中进行无预热和有预热的融雪化冰试验，探究预加热对机场道路融雪化冰效率的影响；通过ANSYS数值仿真软件建立机场道路模型进行仿真计算，并将模拟结果与试验结论相互验证，为数值仿真软件应用于机场道路融雪化冰研究提供了一定的参考。

为研究有无预热对采用碳纤维加热法的机场道路融雪化冰效率的影响，在大型恒温试验室中制作机场道路路面层试件，通过恒温试验室低温和人工制作冰雪模拟冬季环境，并对试件分别进行无预热与有预热的融雪化冰试验，对比探究两种不同的加热方式对道路融雪化冰效率的影响。

机场道路路面层试件根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(MH 5004-2009)和《民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范》(MH 5006),以等级为4F的机场跑道为标准制作，长120 cm, 宽100 cm, 高20 cm, 如图1。作为热源的铁氟龙24K碳纤维发热线缆(线内含24 000根碳纤维发热丝)长11 m, 按图2所示U型布置，埋深5 cm, 间距10 cm, 并通过在四周贴附泡沫层模拟绝热条件。试件顶层设置水槽便于制作冰层。试验过程中，大型恒温实验室温度设定为-5℃,无风。试件道面层布置了16个测温点，具体位置如图3所示。

图1 机场道路试件 下载原图

图2 碳纤维发热线布设 下载原图

单位：cm

图3 测点布置 下载原图

单位：cm

无预热融雪化冰试验考虑的是路面层积雪结冰后的工况，即冰雪在路面冻结形成冰层。故进行无预热融雪化冰试验时，先在顶层的水槽内倒水冻结制成厚度为10 mm冰层，待冰层制作完成后对碳纤维发热电缆通电进行加热，从开始加热至冰层融化总用时6 h。结冰状况与融冰状况见图4无预热试验现场图。对各测点所测数据取平均值，获得如图5所示的道面层平均温度随时间变化的升温曲线及其按3次方线性拟合的拟合曲线图。

由图4可知，无预热融雪化冰试验中，加热3 h后道面层冰层部分融化，而加热6 h后道面层冰层基本融化成水，积留在道面层表面。由图5可知，无预热升温曲线的拟合曲线方程为：

T=0.049 6t3-0.567 17t2 3.150 37 t-3.399 01 (1)

式中：T为温度；t为时间。

式(1)与原曲线的拟合优度R2=0.992 91>0.99,表明拟合曲线与原曲线具有较高的吻合度，故可通过式(1)分析道面层升温情况。根据能量守恒定律，碳纤维发热产生的热量为试件升温的储热量Cc、冰雪融化后消耗的热量Cs、Ci及损失的热量Cl之和：

PΔt=Qc Qi(or Qs) Ql (2)

Cc=Mc⋅Cc⋅ΔTc=Cc⋅A⋅Kc∫0h[(T1−T2)/h−T0]dh         (3)Cc=Μc⋅Cc⋅ΔΤc=Cc⋅A⋅Κc∫0h[(Τ1-Τ2)/h-Τ0]dh         (3)

Cs=Ms·Cs·ΔTs qs·Ms (4)

图4 无预热试验现场 下载原图

图5 无预热道面层平均升温曲线及拟合曲线 下载原图

Ci=Mi·Ci·ΔTi qi·Mi (5)

Cl=Cv Cr Cε Cu Cw (6)

式中：P为混凝土试件输入功率； Δt为通电时间； Mc、Ms、Mi为混凝土试件、雪和冰的质量；Cc、Cs、Ci分别为混凝土试件、雪和冰的比热容；ΔTc、ΔTs、ΔTi分别为混凝土试件、雪和冰的平均升高温度；qs、qi分别为雪和冰融解热；Cv、Cr、Cε、Cu、Cw分别为对流散热量、辐射散热量、水分蒸发所需热量、电路热量损失及路面积水吸收储存热量；A为道面层面积；Κc为混凝土密度；T0、T1、T2为道面层起始温度及断电时道面层层顶及层底的温度。

通过对式(1)求一阶导数得到如图6所示无预热道面层瞬时升温速率v随时间变化的图像。由图6可知，在t=0 h至t=3 h时，由于冰层吸收热量，道面层升温速率持续减小；在t=3 h至t=4 h时升温暂时达到较为稳定状态，此时冰层吸收热量达到最大；此后由于冰层融化增多，道面层表面与冰的接触面积减少，冰层吸收热量减少，冰层与道面层之间积水温度上升，道面层升温速率又逐渐加快。由图4可知，冰层下部先受热融化，由于融冰产生的水积留在道面层表面，故道面层与冰层上部之间形成了一层积水层。由于水的比热容为4.2×103J/(kg·℃),冰的比热容为2.1×103J/(kg·℃),且0℃时水的导热系数为0.54,冰的导热系数为2.22,故水层的存在导致传热效率降低，且部分热量储存在水层中，使得Cw增大，导致热量损失Cl增大，热量利用率降低，降低了融雪化冰效率。若改善排水措施及时排出积水减小Cw,提高热量利用率，融冰效率会有较为明显的提升。

图6 无预热道面层瞬时升温速率变化 下载原图

有预热融雪化冰试验考虑的是在降雪结冰前的工况，即加热时没有冰雪，降雪在路面不会冻结成冰层。首先对试件进行时间为2 h的无冰层加热，至道面层平均温度达到1.5℃,随后在道面层倒入通过捣碎制作的与直接加热试验同质量的碎冰模拟降雪，继续加热3 h后碎冰完全融化。试验现场及融冰情况如图7所示。对各测点所测数据取平均值，获得如图8所示的道面层平均温度升温曲线及其拟合曲线图。

图7 有预热试验现场 下载原图

图8 有预热道面层平均升温曲线 下载原图

由图7可知，有预热试件融雪化冰试验中，经过3 h加热后道面层冰层基本融化成水，积留在道面层表面。由图8可知，经过2 h的预加热处理后，道面层平均温度达到了1℃左右。在t=2 h时开始铺设碎冰层，冰层融化消耗热量，故在t=2 h至t=2.7 h时，道面层平均升温曲线变缓并略有下降；由于预加热使得试件中水分蒸发变得较为干燥，导致混凝土渗透性增大，融水较易下渗，如图9所示，下渗融水流至试件外面形成冰柱。故当冰层融化后，产生的水迅速向下渗透，带走路面层部分热量的同时，渗透至碳纤维发热线缆表面，由于线缆表面温度较高，一部分水带走大量热量后继续下渗，一部分水直接受热蒸发，故在t=3 h附近温度曲线突然下降，直至道面层孔隙重新饱和后其温度才恢复上升。实测升温曲线在t=3 h附近的骤降是由于道面层积水向下渗透导致，依照原曲线进行拟合偏差较大，故将异常点数据剔除后采用插值法补全数据重新拟合，获得如图10所示的道面层升温曲线及拟合曲线图，获得的拟合曲线方程为：

T=0.117 7t3-1.202 39t2 4.556 24 t-4.153 12 (7)

式中：T为温度；t为时间。

图9 路面层融水外渗结冰 下载原图

图10 有预热道面层升温曲线及拟合曲线 下载原图

式(7)与原曲线的拟合优度R2=0.995 63>0.99,表明拟合曲线与原曲线具有较高的吻合度，故可通过式(7)分析道面层升温情况。将式(7)与式(1)求一阶导数得到的道面层瞬时升温速率v随时间变化的曲线绘制成如图11所示图像。由图11可知，不考虑渗透影响时，有无预热不影响道面层升温速率的变化规律。

由图5及图8可知，无预热试验加热6 h后融冰完成，道面层温度约为5℃,有预热加热5 h后融冰完成，道面层温度约为3℃,无预热道面层温度比有预热道面层温度高2℃,表明无预热试件中的试件升温储热Cc较大，导致用于融雪化冰的热量减少。这是由于总热量的不同及无预热冰层融化后的积水层带来的隔热效应所致。由式(2)可知，无预热试验总热量比有预热多20%,而无预热加热过程中形成的积水层的导热系数只有冰的1/4,导致热量传递变慢，大量热量没有传递至冰雪而被道面层吸收升温，故而在达到相同融雪化冰效果时的无预热道面层平均温度高于有预热道面层平均温度。

图11 道面层瞬时升温速率变化 下载原图

试验结果表明，无预热完成融雪化冰总用时6 h, 有预热完成融雪化冰总用时5 h, 故有预热比无预热节约电能20%;有预热试验中，实际用于融冰的时间只有3 h, 而无预热试验中实际用于融冰的时间有6 h, 故采用合适的加热策略，在还没降雪结冰时就对道路进行加热，可以有效减少机场道路被冰雪覆盖的时间，提高融化化冰效率。同时，在碳纤维发热线缆道路融雪化冰法的实际工程应用中，应考虑及时引导排放因冰雪融化所产生的水，避免路面积水升温加大热量损失；通过降低路面材料的孔隙率，减少水分下渗所带走热量，可以进一步提升融雪化冰效率，提高能源的利用率。

为研究通过数值仿真软件进行机场道路融雪化冰模拟试验获得的结果是否符合实际规律，并探究将仿真计算结果运用于实际工程的可行性，利用ANSYS仿真计算软件建立机场道路路面层试件模型进行无预热与有预热的模拟试验。

在ANSYS软件中选取瞬态热模块建立机场道路试件道面层模型，面层长1 200 mm,宽1 000 mm,高200 mm。试件从上至下分为厚度为h1=100 mm, h2=100 mm的两层，试件顶层冰层厚d=10 mm,24K碳纤维发热线缆埋深H=50 mm,间距D=100 mm。采用三面体网格，划分如图12所示，设定环境温度为-5℃,无风。模型除道面层设置空气对流、底层设置与混凝土层的传热外，其余面均为绝热面。

图12 机场道路路面板模型网格划分 下载原图

碳纤维发热线电热效率约为100%,模型中24K碳纤维发热线缆总长11 m, 电阻值为18 Ω/m, 根据功率计算公式P=U2/R,使用220 V电压时，碳纤维发热线的发热功率约为W=244 W。具体材料参数如表1、表2所示。模型如图13、图14所示。

表1 材料热学性能参数 导出到EXCEL

材料

密度kg/m3密度kg/m3

比热容J/(kg⋅℃)比热容J/(kg⋅℃)

导热系数W/(m⋅K)导热系数W/(m⋅Κ)

混凝土

2 300

780

2.34

冰

915

2 100

2.25

表2 碳纤维发热线缆参数 导出到EXCEL

碳纤维发热线型号

外径mm外径mm

单丝直径μm单丝直径μm

每延米电阻值Ω/m每延米电阻值Ω/m

铁氟龙24K碳纤维发热线

3

7

18

模拟试验环境参数设置参照试件试验测得的数据，加热时间与现场试验一致，道面层温度采用现场试验开始时测得的道面层温度。其中无预热模拟试验起始添加冰层模拟融雪化冰，加热时间与现场试验一致为6 h, 道面层温度设置为-4℃;为保证预加热效果能使冰雪落下后快速融化不形成积雪结冰，有预热模拟试验中道面层起始温度设置为-4℃,预加热模拟试验中加热2 h后道面层被加热至1℃,满足道面层冰雪融化的温度要求，添加冰层模拟融雪化冰，加热融冰时间设置为3 h。通过仿真计算得到如图15所示的温度云图，将模拟计算得到的道面层平均温度与试验测得的平均温度对比绘制成如图16所示道面层温度随时间变化的升温曲线对比图。

图13 机场道路路面板模型立体结构 下载原图

图14 机场道路路面板模型正视 下载原图

图15 温度云图 下载原图

由图15温度云图可知，通过仿真计算得到的无预热与有预热温度云图差异较小，表明两种加热方式得到的效果基本一致。但无预热方式总用时6 h, 有预热方式总用时5 h, 无预热消耗的热能比有预热约多20%,表明有预热的加热方式更为节能高效，与现场试验结果一致。

由图16(a)模拟升温曲线可知，在温度达到1℃之前，无预热模拟升温曲线较为陡直，说明用于试件道面层加热升温的热量较多；在温度达到1℃之后，道面层升温曲线变缓，热量开始更多地用于冰层升温融化。由图16(b)模拟升温曲线可知，预热2 h后，道面层平均温度约达到了1.5℃,此时开始添加冰层模拟融雪化冰，由于热量的传递具有一定滞后性，故道面层温度略有上升后才出现骤降。通过分析可知数值仿真得到的结果符合实际规律。

图16 道面层升温曲线对比 下载原图

对数值模拟结果与现场试验结果进行Pearson相关性分析，得到无预热模拟数据与试验数据的相关系数为R1=0.990 8,有预热模拟数据与试验数据的相关系数为R2=0.949 8,表明试验结果与数值模拟结果具有较高的正相关性，即通过数值仿真计算得到的规律基本符合实际规律。产生图中差异的主要原因是由于现场试验设置的绝热条件并不能达到完全绝热，所以模拟试验得到的道面层曲线前期升温速率高于现场试验；而模拟试验中冰层的处理不能完全贴合实际，使得模拟冰层消耗的热量多于现场冰层，故模拟试验得到的道面层曲线后期升温速率要低于现场试验；且模拟试验中道面层没有设置水流的下渗，故模拟得到的升温曲线不会出现图16(b)中有预热试验升温曲线的大幅度降低。

试验表明通过数值仿真计算得到的结果符合实际规律。通过模拟试验结果与现场试验结果的相互验证，表明预加热融雪化冰方案可以通过减少积水储热和道路混凝土升温耗热等热量损耗，大幅度提高热能利用效率，减少融雪化冰所需时间，节约电能的同时有效提高机场道路融雪化冰效率。

本文通过在大型恒温实验室制作埋设了碳纤维发热线的机场道路试件，进行无预热及有预热两种加热方式的融雪化冰试验，研究预加热对机场道路融雪化冰效率的影响，并通过ANSYS数值仿真软件建立机场道路有限元模型模拟进行融雪化冰试验，将仿真结果与现场试验结果相互验证，得到以下结论。

(1)使用碳纤维发热法进行道路融雪化冰时，采用预加热的方法能有效提高机场道路融雪化冰效率，且能源消耗较低，具有安全、高效、节能的特点。

(2)在碳纤维发热线缆道路融雪化冰法的实际工程应用中，及时引导排放路面因冰雪融化所产生的积水，可以减少因积水升温带来的热量损失，加快融雪化冰；通过降低路面材料的孔隙率，减少水分下渗所带走热量，也能进一步提升融雪化冰效率，提高能源的利用率。

(3)通过数值仿真软件进行有限元模型计算得到的结果与实际规律相符合，其结果对于实际工程的应用具有一定的参考价值。

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