CN108487099B

CN108487099B - 一种通过空气导流减少高速路面积雪的方法

Info

Publication number: CN108487099B
Application number: CN201810139553.3A
Authority: CN
Inventors: 胡再国; 雍志华; 饶大庆; 邹旭敏; 李娟�; 王维果; 穆万军; 李伟; 梁小冲; 何原
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2018-02-11
Filing date: 2018-02-11
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2038-02-11
Also published as: CN108487099A

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(60^o)=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

1.一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）。