CN108487099B - 一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法 - Google Patents

一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法涉及高速公路积雪领域,为减少高速路面积雪,技术方案是:在高速公路两侧护栏的外侧固定支撑柱,支撑柱的上端固定风扇,风扇的进风口位于高速公路路面的一侧,风扇的出风口位于高速公路外侧,风扇从高速公路路面的上方吸收空气、将夹杂着雪花的空气排向高速公路的外侧;支撑柱高20‑45米,出口风速为15m/s‑25m/s;风扇进风口与其曲率中心形成的扇形的张角为90‑120度;相邻风扇的落差在1‑2米。有益效果是:将夹杂着雪花的空气吹到高速公路路面的外侧;很好地维持高速公路的畅通,减少对旅客行程的扰乱和有利于春运的良好运转,减少高速交警的劳动强度和工作风险。

Description

一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法
技术领域
本发明涉及高速公路积雪领域,特别是减少路面积雪的措施方面。
背景技术
每年的冬季,我国的北方以及南方的高山地区,容易降雪,降雪沉积在高速路面,由于气温低,容易结冰,导致路面湿滑,极易导致车祸。常用的办法是采用融雪盐,使用盐与雪混合,降低其凝固温度(冰点),虽然该方法使用广泛,但是该方法也存在很多的不足:需要生产成本;导致环境土壤盐浓度增高,影响生态;需要长途运输、储藏;需要高速交警封路撒盐,导致高速警力紧张,湿滑的高速路面也对高速交警构成威胁等等。
也有提出加热路面,或者热风吹路面,这种方法在理论上是有效的,但是,忽略了一个最根本的问题:冰的溶解热很大,1克冰熔化为水,大致相当于1克水从0摄氏度升高到80摄氏度,1克水升高1摄氏度需要1卡的热量,即4.18焦耳,那么1吨冰(紧致情况下约为1立方米,即量很少)熔化为水需要的能量为1000公斤*1000克/公斤*4.18焦耳/(克*摄氏度)*80摄氏度,如果转化为常用单位“度=千瓦时=1000瓦*小时=1000瓦*3600秒=1000焦耳/秒*3600秒”,为92.88度,该数字还没有考虑加热的效率,因为有很大一部分会加热空气,然后空气飘散了,形成无效部分,如果考虑到该无效部分,可能所需要的功(能量)要成倍增加。而北方的冰就不是以吨来计算,而是成千上万吨的概念。另外,雪可能一直下,就需要一直加热来维持,而雪又时大时小,其加热的功率很难确定,而电网的负荷又是非常有限的:冬季属于枯水期,北方的水电基本为0,冬季取暖也需要能量(空调),采用电加热的方式基本不可取。
发明内容
为减少高速路面积雪,本发明设计一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法。
本发明实现发明目采用的技术方案是:一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法,其特征是:在高速公路两侧护栏的外侧固定支撑柱,支撑柱的上端固定风扇,风扇的进风口位于高速公路路面的一侧,风扇的出风口位于高速公路外侧,风扇从高速公路路面的上方吸收空气、将夹杂着雪花的空气排向高速公路的外侧;支撑柱高20-45米,出口风速为15m/s-25m/s;风扇进风口与其曲率中心形成的扇形的张角为90-120度(进风口边缘为一段圆弧,圆弧与圆心所成的扇形的角度为90-120度);相邻风扇的落差在1-2米(指在道路的同一侧的两个支撑柱之间的高度差为1-2米,使相邻风扇出风口形成的风幕相互错开,避免相邻风扇的风幕相互影响)。
风扇的进风口向上倾斜45度,出风口水平;即出风口的上表面和下表面都处于水平面,风扇进风口的上表面所在的平面和下表面所在的平面都与水平面成45度,进风口在竖直方向高于出风口。
风扇位于应急车道外侧,支撑柱高10米,风扇的进风口和出风口的形状和结构相同,出风口的风速为21.2米/秒以上。或者,风扇位于应急车道外侧,支撑柱高40米,风扇的进风口和出风口的形状和结构相同,出风口的风速为10.6米/秒以上。或者,风扇位于高速路面车道中位线的上方,风扇出风口下表面距离地面高度(即支撑柱的高度,忽略风扇本身的厚度,即风扇出风口的下表面与支撑柱的上端面在同一水平面)为10米,风扇的进风口和出风口的形状和结构相同,出风口的风速为10.6米/秒以上。或者,风扇位于高速路面车道中位线的上方,风扇出风口下表面距离地面高(即支撑柱的高度,忽略风扇本身的厚度,即风扇出风口的下表面与支撑柱的上端面在同一水平面)度为40米,风扇的进风口和出风口的形状和结构相同,出风口的风速为5.3米/秒以上。
本发明的有益效果是:将隔离带上方和行车道上方的夹杂着雪花的空气吸入,然后吹到高速公路路面的外侧,由于风扇进风口吸引力的作用,也能够收集靠近隔离带的高速路面上方进风口附近的雪花;风扇吹出的风形成风幕,风幕的力量也能够将风幕上方降落的雪花吹到高速公路路面的外侧;风幕本身是透明的,不影响驾驶员的视线,由于风幕的阻挡作用,风幕上方和下方的空气流动被阻断,风幕导流的空气由于空气密度大和速度快会向风幕上方扩散,风幕下方的高速路面的空气基本上处于静止状态,对行车安全不构成影响,反而有利于减少自然界的侧风对行车安全的威胁;风幕本身仅仅是物理搬运过程,不涉及雪的熔化,因此,需要的能量相对较小,不会带来环境污染。本发明在下雪的时候打开风扇,不下雪则风扇停机,可以辅助现有技术的雪花检测,检测到雪花自动打开风扇电源。能够很好地维持高速公路的畅通,减少对旅客行程的扰乱和有利于春运的良好运转,减少高速交警的劳动强度和工作风险。
附图说明
图1是一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法示意图;图2为空气流动的示意图;
其中,1、护栏,2、隔离带,3、路面,4、进风口,5、出风口,6、支撑柱,7、风扇。
具体实施方式
根据现行交通行业标准JTG B01-2014 《公路工程技术标准》规定:设计时速120km/h的高速公路车道宽度为3.75m,紧急停车带宽度3.5m。
参数估计:高速公路路面3上方的夹杂着雪的空气被风扇7吸入,然后水平喷向公路外侧(应急车道的护栏1外侧),喷出的空气的竖直方向的初速度为0,因此喷出的空气中夹杂的雪花的落地时间遵从自由下落规律,即1/2g*t2=h(此处忽略风扇7的厚度,认为出风口5的高度就是支撑柱6的高度),其中t是雪花从出风口5下落到地面的时间,t=(2 h/g)0.5,雪花离开出风口5后水平移动的距离为v* t,如果进风口4和出风口5的形状一样(这仅仅是为了参数估计的一种假设,并不一定需要进风口4和出风口5的形状一样),则进风口4的速度和出风口5的速度应该是一样的,即具备可逆性:该距离应该大于单侧路面3的宽度,即v*t>d,即v*>d /t= d / (2 h/g)0.5:高速公路的车道宽度大致在3.75米,如果为3个车道,另外加上应急车道大致3.5米宽度,总的单侧路面3宽度大致15米,即d=15米,如果h按10米估计,则v=d / (2 h/g)0.5=15/(2*10/10) 0.5=10.6米/秒,大致相当于5级风速的范围;如果高度改变成40米,则速度可以降低1倍,即5.3米/秒,相当于3级风速(微风)。如果高度改变成20米,v=d / (2 h/g)0.5=15/(2*20/10) 0.5=7.5米/秒,相当于3级风速的范围。
上面的估计是假定风扇7密铺(即一个风扇7挨着一个风扇7),这样效率不高。如果风扇7进风口4与其曲率中心的张角为90-120度,考虑120度的张角,这样风扇7能够间隔一段距离分布,则风扇7的边缘与中线的法线成60度夹角,该风速在法线方向的分量为cos(60o)=0.5,因此风速应该提高一倍,即h按10米,风速v=21.2米/秒;如果h按40米,风速v=10.6米/秒;如果h按20米,风速v=15米/秒。
如果风扇7位于高速路面3的上方,即占据高速路面3一半的宽度的上方,这样能够充分利用风扇7出风口5的风速,相当于d减小一半,即将隔离带2两侧的高速公路上方的夹杂着雪花的空气吸入隔离带2两侧的风扇7,然后分别吹落到应急车道护栏1的外侧,这样风速允许减小一般,h按10米,风速v=10.6米/秒;如果h按40米,风速v=5.3米/秒。这样更节能,实现起来也更容易一些。
风扇7的进风口4向上成45度,这样能够减少两侧的风扇7之间的影响;另外,45度平抛,物体抛得更远,按照可逆性思路,这样也能够具有更好的空气吸收范围。
图2为空气流动示意图,风扇7位置的曲线(相对于图1增加的曲线)代表气流的走向,风扇7能够将进风口4附近的空气吸走,然后其上方、下方和左右方向的空气会流动过来补充,由于风幕的高密度和大速度的作用,对风扇下方有阻挡作用,如果进风口4下方的空气被吸走,则风幕下方的空气流动过来补充,风幕下方被风幕隔开,因此风幕下方要从风幕中获取空气,但是风幕的密度大、流速快(具有较大的动能),因此要从风幕获取空气不容易,所以风扇7进风口4下方流入进风口4的空气的量相对于上方和左右来说,基本上可以忽略,因此风扇下方的空气的流动性较差,吸风口从风扇下方吸走空气的比例下降,当风扇的进风口倾斜向上后,吸风口从风扇下方吸走空气的比例进一步下降,因此风扇7的进风口4主要是收集上方和左右两侧的空气,其下方的空气基本上处于静止状态。

Claims (1)

1.一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法,在高速公路两侧护栏(1)的外侧固定支撑柱(6),支撑柱(6)的上端固定风扇(7),风扇(7)的进风口(4)位于高速公路路面(3)的一侧,风扇(7)的出风口(5)位于高速公路外侧,风扇(7)从高速公路路面(3)的上方吸收空气、将夹杂着雪花的空气排向高速公路的外侧;支撑柱(6)高20-45米,出口风速为15m/s-25m/s;风扇(7)进风口(4)与其曲率中心形成的扇形的张角为90-120度;相邻风扇(7)的落差在1-2米;其特征是:风扇(7)的进风口(4)向上倾斜45度,出风口(5)水平;即出风口(5)的上表面和下表面都处于水平面,风扇(7)进风口(4)的上表面所在的平面和下表面所在的平面都与水平面成45度,进风口(4)在竖直方向高于出风口(5)。
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