CN113177338A - 一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,该方法包括以下步骤:步骤1:根据拱坝孔口建立拱坝孔口有限元仿真模型;步骤2:建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式;步骤3:建立等效气温计算表达式;步骤4:将拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值作为拱坝孔口有限元仿真模型的第三类传热边界条件,再结合综合等效气温以及冷却通水影响,代入拱坝孔口有限元仿真模型中,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,可以解决无法对施工期混凝土的温度场进行准确模拟仿真分析的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电大体积混凝土强太阳辐射温度预测及温控技术领域,尤其是一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法。
背景技术
在混凝土大坝建设过程中,由于水泥水化热以及环境气温变化影响等,混凝土内外温差易过大发生开裂。而拱坝孔口部位相对于坝体其他区域来说较为薄弱,外界环境影响明显高于大坝主体。且孔口部位通常采用高标号混凝土,水化热、自生体积变形及弹性模量大,早期应力增长较快,而周边坝体往往采用低标号混凝土,材料特性不同,导致孔口部位易产生表面裂缝,若处置不当,表面裂缝往往发展成为贯穿性裂缝,危害孔口甚至大坝的安全。白鹤滩大坝地处强太阳辐射区,夏季高温、日照强烈,白天河谷最高气温达37℃以上,夜间气温在22℃左右,昼夜温差达10℃以上。孔口部位浇筑易处于高温、昼夜温差大、太阳辐射强的施工环境,对早期混凝土温度效应影响较大。浇筑仓表层混凝土温度变化剧烈,内部混凝土温度变化缓慢,从内至外可能存在较大的温度梯度,进而引起较大的拉应力。由于混凝土早期强度低,产生的拉应力极有可能超过相应龄期浇筑仓的抗拉强度。目前,孔口研究大多集中于运行期应力分布规律及对拱坝整体的影响,然而孔口施工期温度边界属性确定更为复杂,开裂风险更大。因此,针对孔口这种大坝中的特殊结构,研究其在施工期温度发展历程并采用合适的温控措施就显得至关重要。为保证大坝施工质量,施工前需对大坝孔口底板、侧墙和顶板部位温度进行监测,从而实时对温控措施进行调整。然而,目前鲜有考虑太阳辐射热的拱坝孔口浇筑仓温控仿真方面的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,可以解决无法对施工期混凝土的温度场进行准确模拟仿真分析的问题,计算精度较高,较好的表现出太阳辐射热对表层混凝土温度的影响,为后续孔口浇筑仓混凝土温控措施反馈提供有力的技术支持。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,该方法包括以下步骤:
步骤1:建立拱坝孔口的有限元仿真模型;
步骤2:依据拱坝孔口浇筑仓内埋设的温度计,采集不同深度处的混凝土日平均温度,依据计算获得的混凝土表面日平均温度和日平均温度梯度,建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式;
步骤3:考虑太阳辐射热影响,基于浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式,将太阳辐射热等效为气温增量,与现场实测气温形成综合等效气温;
步骤4:计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值,并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界条件,再结合综合等效气温以及冷却通水影响,代入步骤1建立的拱坝孔口的有限元仿真模型中,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
步骤1的建立步骤为:
步骤1-1:确定拱坝孔口的浇筑计划:依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时及间歇期,确定各仓浇筑进度;
步骤1-2:确定坐标系:选取横河向为x轴,顺河向为y轴,铅直方向为z轴;
步骤1-3:建立拱坝孔口的有限元仿真模型:依据拱坝孔口浇筑仓的形状尺寸,在已定的坐标系上建立混凝土坝体孔口部位混凝土浇筑块实体模型并对实体模型进行有限元网格剖分,即完成拱坝孔口的有限元仿真模型的建立。
步骤2的详细步骤为:
步骤2-1:假设在浇筑仓表面附近按照由近到远埋设了3支点温度计a、b、c,其当日的实测平均温度分别为Ta、Tb、Tc、混凝土表面温度为Ts,气温为Ta0,以点温度计a为坐标原点,假设x点温度表示为Ts=k1+k2+k3x2,那么在混凝土表面即x=-a时拱坝孔口混凝土表面日平均温度Ts可表示为公式(1),日平均温度梯度可表示为公式(2),距浇筑仓表面不同深度处的混凝土日平均温度通过监测实验获得
Ts=k1-k2a+k3a2 (1)
步骤2-2:拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式:假设混凝土表面温度为Ts,气温为Ta0;将坐标原点移到点温度计a上,假设x点温度表示为T=T(x),计算混凝土表面的温度,为此建立日平均吸收太阳辐射热计算表达式
式中:R为一天内吸收热量的平均值;β为混凝土的表面放热系数;Ts为混凝土表面温度;Ta0为气温;λ为混凝土的导热系数,n为法向方向单位矢量。
步骤3中的详细步骤为:
综合等效气温是指,太阳辐射热气温增量与现场实测气温之和,为此建立计算表达式
Ta *=ΔTa+Ta0 (4)
式中:Ta *为综合等效气温;ΔTa为太阳辐射热气温增量;Ta0为气温,将日平均吸收太阳辐射热R带入公式ΔTa=R/β,其中β为混凝土的表面放热系数,计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓太阳辐射热气温增量ΔTa,将气温增量ΔTa和现场实测气温Ta0带入公式(4),计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的综合等效气温Ta *。
步骤4中,将计算出的拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的综合等效气温Ta *和监测得到的混凝土表面温度T,以及混凝土的表面放热系数β带入公式(5)中,其中β为混凝土的表面放热系数,λ为混凝土导热系数,得到拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的第三类传热边界条件中的热流量q,并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界条件如下:
步骤4中,确定冷却通水影响计算表达式:在一期通水冷却阶段,往往换挡多次进行冷却,为此建立冷却通水影响计算表达式:
T(t)=Twi+(Ti-Twi)φi(t)+θ0ψi(t) (6)
式中:e为数学中的自然常数,Twi为第i档通水水温;Ti为i-1档通水结束且第i档通水开始时的混凝土温度;φi(t)为第i档水温通水时的水冷函数;θ0为绝热温升;ψi(t)为第i档时水冷温升函数;pi为第i挡时水冷参数;ti为流量或水温改变时刻,当流量或水温改变时t必须从0开始;s、m1、m2为常数;k、a′、D为常数,
D为等效冷却柱体直径,b为等效冷却柱体半径,S1、S2分别为水管布置的水平间距和铅直间距;k=2.09-1.35ξ+0.320ξ2,其中ρ为水的密度,q为通水流量,L为水管长度,c为水的比热,λ为混凝土导热系数;a′为等效导温系数。
步骤4中,将公式(3)中日平均吸收太阳辐射热等效为公式(4)中综合等效气温,考虑式(5)中第三类传热边界条件和式(6)~(8)中冷却通水影响,基于ANSYS软件,编写APDL程序设计语言,实现参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解,代入步骤1建立的拱坝孔口的有限元仿真模型中,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
步骤4的处理过程为:
步骤4-1:根据已知的等效冷却柱体半径b,水管外半径c,水管内半径r0,混凝土导热系数λ,水管导热系数λ1带入公式将计算出的等效导温系数a′,与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(9)得到各挡水温通水时的水冷参数pi。将各挡水温通水时的水冷参数pi及冷却时间t带入公式(7)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t),s、m1、m2为常数,s=0.60,m2=0.10m1,n为混凝土水化热达到一半时的龄期,将得到的s、m1、m2、pi、实际通水流量或通水温度改变时刻ti及冷却时间t带入公式(8)中,得到绝热温升组合指数式ψi(t)。将水冷函数φi(t)、已知的绝热温升试验值θ0、绝热温升组合指数式ψi(t)、第i档通水温度Twi以及第i-1档水温通水结束且第i档水温开始通水时的混凝土温度Ti,带入公式(6)中,得到拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的混凝土平均温度T(t)。
步骤4-2;根据拱坝孔口浇筑仓的形状和尺寸,在CAD软件中建立孔口部位混凝土浇筑仓的实体模型,从该CAD模型中提取坐标值,导入到ANSYS中,在有限元软件ANSYS中的前处理器中,按照步骤1-2确定的坐标系建立拱坝孔口部位混凝土浇筑块的几何模型,并对该模型划分网格单元,完成步骤1中的拱坝孔口有限元仿真模型。将获得的日平均温度梯度混凝土表面温度Ts、气温Ta0及已知的混凝土表面放热系数β和导热系数λ带入步骤2中的公式(3),计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热R。将步骤3中综合等效气温Ta *和监测得到的混凝土表面温度T,以及混凝土的表面放热系数β带入公式(5)中,得到第三类传热边界条件中的热流量q。利用ANSYS参数化设计语言对模型施加荷载和边界条件,孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面的边界条件均为热流量q,通水水温、通水流量、通水时间均按照实际通水方案采用,将步骤4-1中的混凝土平均温度T(t)代入步骤1-2中的有限元模型进行求解,并与现场实测混凝土温度进行对比,验证考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算的准确性,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
本发明提供的一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,可以解决无法对施工期混凝土的温度场进行准确模拟仿真分析的问题,对施工期混凝土的温度场进行准确模拟仿真分析,通过实测温度数据校验模型的准确度,分析浇筑仓混凝土温度变化,为拱坝孔口混凝土高温季节浇筑温控措施提供参考;计算精度较高,较好的表现出太阳辐射热对表层混凝土温度的影响,为后续孔口浇筑仓混凝土温控措施反馈提供有力的技术支持。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1为本发明实施例一步骤1拱坝孔口的导流底孔模型示意图;
图2为本发明实施例一步骤1所建立的拱坝孔口建立拱坝孔口有限元仿真模型示意图;
图3为本发明实施例一步骤2中太阳辐射热的余弦分布图;
图4为本发明实施例一步骤2中混凝土表面温度示意图;
图5为本发明实施例二距底板表面0.2m测点温度计算与实测对比图;
图6为本发明实施例二距侧墙表面0.2m测点温度计算与实测对比图;
图7为本发明实施例二距侧墙表面0.4m测点温度计算与实测对比图;
图8为本发明实施例二距侧墙表面0.6m测点温度计算与实测对比图;
图9为本发明实施例二距侧墙表面0.8m测点温度计算与实测对比图;
图10为本发明实施例二拱坝孔口19#-030仓中心测点温度计算与实测对比图;
图11为本发明实施例二拱坝孔口仓中心测点温度计算与实测对比图。
具体实施方式
实施例一
一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,该方法包括以下步骤:
步骤1:根据拱坝孔口建立拱坝孔口有限元仿真模型,拱坝孔口的浇筑仓内埋设有温度计,拱坝孔口主要用于过水,由侧墙、底板、顶板、牛腿等结构构成,其导流底孔模型如图1所示;
具体建立步骤为:
步骤1-1:确定拱坝孔口的浇筑计划:依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时及间歇期,确定各仓浇筑进度;
步骤1-2:确定坐标系:选取横河向为x轴,顺河向为y轴,铅直方向为z轴;
步骤1-3:建立拱坝孔口有限元仿真模型:依据拱坝孔口浇筑仓的形状尺寸,在已定的坐标系上建立混凝土坝体孔口部位混凝土浇筑块模型并对模型进行有限元网格剖分,即完成拱坝孔口的有限元仿真模型的建立,如图2所示。
步骤2:依据拱坝孔口浇筑仓内埋设的温度计,采集不同深度处的混凝土日平均温度,依据计算获得的混凝土表面日平均温度和日平均温度梯度,建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式;
步骤2的详细步骤为:
假设在浇筑仓表面附近按照由近到远埋设了3支点温度计a、b、c,如图4所示,其当日的实测平均温度分别为Ta、Tb、Tc、混凝土表面温度为Ts,气温为Ta0,以点温度计a为坐标原点,假设x点温度表示为Ts=k1+k2+k3x2,那么在混凝土表面即x=-a时拱坝孔口混凝土表面日平均温度Ts可表示为公式(1),日平均温度梯度可表示为公式(2),距浇筑仓表面不同深度处的混凝土日平均温度通过监测实验获得
Ts=k1-k2a+k3a2 (1)
步骤2-2:建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式:
本实施例中,假设单位时间内在单位面积上晴天的太阳辐射热为S0,在阴天太阳的辐射热为
S=S0(1-kn) (3)
式(3)中,S为阴天太阳辐射热;S0为晴天太阳辐射热;n为云量;k为与纬度有关的系数;
设太阳辐射的热量为S,被混凝土吸收的热量为R,则剩下被混凝土反射的热量为S-R,有:
R=αsS (4)
式(4)中,αs为吸收系数,根据经验,混凝土表面的αs≈0.65;
考虑太阳辐射后的边界条件为:
或
对比上述两式可得:
ΔTa=R/β (7)
式(7)中,ΔTa为太阳辐射热气温增量,β为混凝土的表面放热系数,R为日平均吸收太阳辐射热;
假设太阳辐射热在一天之内的分布规律满足余弦分布,如图3所示;可用公式表达为:
积分后可知:
As/S0=12π/Ps (9)
式(8)和式(9)中,τ为一天当中的不同时刻;As为一天之中晴天太阳辐射热峰值;S0τ为τ时刻晴天太阳辐射热;S0为晴天太阳辐射热均值;Ps为日照时间,与季节、纬度相关,取值见表1:
表1 Ps取值表
结合上述公式,可得:
式(10)中:ΔTτ为τ时刻太阳辐射热增量;Rs为混凝土吸收热量的峰值;β为混凝土的表面放热系数;Ps为日照时间;R为一天内吸收热量的平均值;As为一天之中晴天太阳辐射热峰值;n为云量;k为与纬度有关的系数;αs为吸收系数;
假设在混凝土浇筑仓表面附近埋设了3支点温度计a、b、c,其混凝土表面温度示意图如图4所示,利用三只温度计的日平均温度进行太阳辐射热的反馈,假设当日3支点温度计的实测平均温度分别为Ta、Tb、Tc,混凝土表面温度为Ts,气温为Ta0,将坐标原点移到点温度计a上,假设x点温度表示为T=T(x),计算混凝土表面的温度,为此建立日平均吸收太阳辐射热计算表达式
步骤3:考虑太阳辐射热影响,基于步骤2建立的拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式(11),通过公式(7)将太阳辐射热R等效为气温增量ΔTa,与拱坝孔口现场实测气温Ta0形成综合等效气温Ta *,建立等效气温计算表达式:
Ta *=ΔTa+Ta0 (12)
式(12)中:Ta *为综合等效气温;ΔTa为太阳辐射热气温增量;Ta0为气温。
步骤4:计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值,并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口有限元仿真模型的第三类传热边界条件,再结合综合等效气温以及冷却通水影响,代入步骤1建立的拱坝孔口有限元仿真模型中,即完成所述考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建;
步骤4的详细步骤为:
步骤4-1:计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值,并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界条件如下:
步骤4-2:在一期通水冷却阶段,往往换挡多次进行冷却,为此建立冷却通水影响计算表达式:
T(t)=Twi+(Ti-Twi)φi(t)+θ0ψi(t) (14)
式(14)~(17)中:e为数学中的自然常数,Twi为第i档通水水温;Ti为i-1档通水结束且第i档通水开始时的混凝土温度;φi(t)为第i档水温通水时的水冷函数;θ0为绝热温升;ψi(t)为第i档时水冷温升函数;pi为第i挡时水冷参数;ti为流量或水温改变时刻,当流量或水温改变时t必须从0开始;t为冷却时间;s、m1、m2为常数;k、a′、D为常数,D为等效冷却柱体直径,b为等效冷却柱体半径,S1、S2分别为水管布置的水平间距和铅直间距;k=2.09-1.35ξ+0.320ξ2,其中ρ为水的密度,q为通水流量,L为水管长度,c为水的比热,λ为混凝土导热系数;a′为等效导温系数;
根据已知的等效冷却柱体半径b,水管外半径c,水管内半径r0,混凝土导热系数λ,水管导热系数λ1带入公式将计算出的等效导温系数a′,与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(17)得到各挡水温通水时的水冷参数pi。将各挡水温通水时的水冷参数pi及冷却时间t带入公式(15)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t),s、m1、m2为常数,s=0.60,m2=0.10m1,n为混凝土水化热达到一半时的龄期,将得到的s、m1、m2、pi、实际通水流量或通水温度改变时刻ti及冷却时间t带入公式(16)中,得到绝热温升组合指数式ψi(t)。将水冷函数φi(t)、已知的绝热温升试验值θ0、绝热温升组合指数式ψi(t)、第i档通水温度Twi以及第i-1档水温通水结束且第i档水温开始通水时的混凝土温度Ti,带入公式(14)中,得到拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的混凝土平均温度T(t)。
步骤4-3:根据拱坝孔口浇筑仓的形状和尺寸,在CAD软件中建立孔口部位混凝土浇筑仓的实体模型,从该CAD模型中提取坐标值,导入到ANSYS中,在有限元软件ANSYS中的前处理器中,按照步骤1-2确定的坐标系建立拱坝孔口部位混凝土浇筑块的几何模型,并对该模型划分网格单元,完成步骤1中的拱坝孔口有限元仿真模型;将获得的日平均温度梯度混凝土表面温度Ts、气温Ta0及已知的混凝土表面放热系数β和导热系数λ带入步骤2中的公式(11),计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热R;将步骤3中综合等效气温Ta *和监测得到的混凝土表面温度T,以及混凝土的表面放热系数β带入公式(13)中,得到第三类传热边界条件中的热流量q;利用ANSYS参数化设计语言对模型施加荷载和边界条件,孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面的边界条件均为热流量q,通水水温、通水流量、通水时间均按照实际通水方案采用,将步骤4-2中最后计算出的混凝土平均温度T(t)代入步骤1-2中的有限元模型进行求解,并与现场实测混凝土温度进行对比,验证考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算的准确性,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
步骤4-1的详细步骤为:(计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值q)
步骤4-1-1:建立热传导公式表达式:热传导方程建立了各向同性固体结构的温度与时间及空间之间的一般关系,根据热量平衡原理,混凝土浇筑块温度升高是外界沿x、y、z方向热量流入与内部水化热共同作用的结果,为此建立了热传导公式表达式
步骤4-2-2:定义边界条件:坝体在水面以上与空气接触的边界按第三类边界条件处理,太阳辐射热与现场实测气温形成综合等效气温按第三类边界条件处理;
步骤4-2-3:建立第三类传热边界条件表达式:当混凝土与空气接触时,假定经过混凝土表面的热流量q与混凝土表面温度T和气温Ta之差成正比,为此建立第三类传热边界条件表达式
实施例二
本实施例中,距浇筑仓表面不同深度处的混凝土日平均温度Ta、Tb、Tc通过监测实验获得,日平均气温Ta0可通过现场气象站监测获得,计算混凝土表面日平均温度Ts、浇筑仓表面日平均温度梯度反馈孔口混凝土浇筑仓表面日平均吸收辐射热。流道底板太阳辐射热反馈及流道侧墙太阳辐射热反馈见表2和表3:
表2流道底板位置太阳辐射热反馈表
表2中,Ta、Tb、Tc分别为距流道底板顶面0.2m、0.45m、0.7m处日平均实测温度;Ts为流道底板浇筑仓表面日平均温度;Ta0为日平均环境气温;为浇筑仓日平均表面温度梯度;R为日平均吸收太阳辐射热;Rs为日平均吸收太阳辐射热峰值;R/β为日平均气温增量;Rs/β为日平均气温增量峰值;S为日平均计算太阳辐射热。
表3流道侧墙位置太阳辐射热反馈表
表3中,Ta、Tb、Tc分别为距流道侧墙表面0.4m、0.6m、0.8m处日平均实测温度;Ts为流道侧墙浇筑仓表面日平均温度;Ta0为日平均环境气温;为浇筑仓日平均表面温度梯度;R为日平均吸收太阳辐射热;Rs为日平均吸收太阳辐射热峰值;R/β为日平均气温增量;Rs/β为日平均气温增量峰值;S为日平均计算太阳辐射热。
凝土浇筑仓温度场主要受环境气温和太阳辐射热的影响,本实施例中将太阳辐射热等效为气温增量,与气温形成综合等效气温作为第三类传热边界条件施加。气温增量及综合等效气温计算结果见表4、表5:
表4流道底板综合等效气温计算结果表
表5流道侧墙综合等效气温计算结果表
本实施例依据表4、表5计算结果,确定仿真计算模型的边界条件及参数取值,将得到的参数代入建立的考虑太阳辐射热的白鹤滩大坝孔口浇筑仓有限元仿真计算模型。
实施例二(验证实施例)
通过仿真计算孔口混凝土表层和中间点温度,并与现场实测混凝土温度进行对比,验证考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算的准确性:
实施例二通过仿真计算,将实施例一的仿真计算结果与实测结果进行对比,计算结果见5-图11所示,从图5-图11可知:
1、在考虑太阳辐射后,距离流道侧墙表面0.2m位置的混凝土最高温度与实测34.49℃相差仅0.94℃,达到最高温度的龄期差为0.5d;距离流道侧墙表面0.4m位置的混凝土最高温度与实测35.15℃相差仅0.7℃,达到最高温度的龄期差为0.5d;距离侧墙0.6m位置的混凝土最高温度与实测最高温度34.5℃相差仅0.25℃,达到最高温度的龄期相差0d;距离侧墙表面0.8m位置的混凝土最高温度与实测最高温度33.71℃相差仅0.1℃。
2、在考虑太阳辐射后,距离流道底板顶面0.2m位置混凝土温度达到最高温度的龄期与实测相差0d。
3、底板浇筑时所受的太阳辐射影响比侧墙浇筑时所受的小。
4、在考虑太阳辐射后,流道两侧仓中部温度曲线吻合较好,最高温度相差较小。
5、考虑太阳辐射后的孔口混凝土浇筑仓有限元模型计算精度较高,较好的表现出太阳辐射热对表层混凝土温度的影响,为后续孔口浇筑仓混凝土温控措施反馈提供有力的技术支持。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下,可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤1:建立拱坝孔口的有限元仿真模型;
步骤2:依据拱坝孔口浇筑仓内埋设的温度计,采集不同深度处的混凝土日平均温度,依据计算获得的混凝土表面日平均温度和日平均温度梯度,建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式;
步骤3:考虑太阳辐射热影响,基于浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式,将太阳辐射热等效为气温增量,与现场实测气温形成综合等效气温;
步骤4:计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值,并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界条件,再结合综合等效气温以及冷却通水影响,代入步骤1建立的拱坝孔口的有限元仿真模型中,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
2.根据权利要求1所述的一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,其特征在于步骤1的建立步骤为:
步骤1-1:确定拱坝孔口的浇筑计划:依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时及间歇期,确定各仓浇筑进度;
步骤1-2:确定坐标系:选取横河向为x轴,顺河向为y轴,铅直方向为z轴;
步骤1-3:建立拱坝孔口的有限元仿真模型:依据拱坝孔口浇筑仓的形状尺寸,在已定的坐标系上建立混凝土坝体孔口部位混凝土浇筑块实体模型并对实体模型进行有限元网格剖分,即完成拱坝孔口的有限元仿真模型的建立。
3.根据权利要求2所述的一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,其特征在于步骤2的详细步骤为:
步骤2-1:假设在浇筑仓表面附近按照由近到远埋设了3支点温度计a、b、c,其当日的实测平均温度分别为Ta、Tb、Tc、混凝土表面温度为Ts,气温为Ta0,以点温度计a为坐标原点,假设x点温度表示为Ts=k1+k2+k3x2,那么在混凝土表面即x=-a时拱坝孔口混凝土表面日平均温度Ts可表示为公式(1),日平均温度梯度可表示为公式(2),距浇筑仓表面不同深度处的混凝土日平均温度通过监测实验获得
Ts=k1-k2a+k3a2 (1)
步骤2-2:拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式:假设混凝土表面温度为Ts,气温为Ta0;将坐标原点移到点温度计a上,假设x点温度表示为T=T(x),计算混凝土表面的温度,为此建立日平均吸收太阳辐射热计算表达式
式中:R为一天内吸收热量的平均值;β为混凝土的表面放热系数;Ts为混凝土表面温度;Ta0为气温;λ为混凝土的导热系数,n为法向方向单位矢量。
4.根据权利要求3所述的一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,其特征在于步骤3中的详细步骤为:
综合等效气温是指,太阳辐射热气温增量与现场实测气温之和,为此建立计算表达式
Ta *=ΔTa+Ta0 (4)
式中:Ta *为综合等效气温;ΔTa为太阳辐射热气温增量;Ta0为气温,将日平均吸收太阳辐射热R带入公式ΔTa=R/β,其中β为混凝土的表面放热系数,计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓太阳辐射热气温增量ΔTa,将气温增量ΔTa和现场实测气温Ta0带入公式(4),计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的综合等效气温Ta *。
6.根据权利要求5所述的一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,其特征在于步骤4中,确定冷却通水影响计算表达式:在一期通水冷却阶段,往往换挡多次进行冷却,为此建立冷却通水影响计算表达式:
T(t)=Twi+(Ti-Twi)φi(t)+θ0ψi(t) (6)
7.根据权利要求6所述的一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法,其特征在于步骤4中,将公式(3)中日平均吸收太阳辐射热等效为公式(4)中综合等效气温,考虑式(5)中第三类传热边界条件和式(6)~(8)中冷却通水影响,基于ANSYS软件,编写APDL程序设计语言,实现参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解,代入步骤1建立的拱坝孔口的有限元仿真模型中,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
步骤4的处理过程为:
步骤4-1:根据已知的等效冷却柱体半径b,水管外半径c,水管内半径r0,混凝土导热系数λ,水管导热系数λ1带入公式将计算出的等效导温系数a′,与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(9)得到各挡水温通水时的水冷参数pi。将各挡水温通水时的水冷参数pi及冷却时间t带入公式(7)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t),s、m1、m2为常数,s=0.60,m2=0.10m1,n为混凝土水化热达到一半时的龄期,将得到的s、m1、m2、pi、实际通水流量或通水温度改变时刻ti及冷却时间t带入公式(8)中,得到绝热温升组合指数式ψi(t)。将水冷函数φi(t)、已知的绝热温升试验值θ0、绝热温升组合指数式ψi(t)、第i档通水温度Twi以及第i-1档水温通水结束且第i档水温开始通水时的混凝土温度Ti,带入公式(6)中,得到拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的混凝土平均温度T(t)。
步骤4-2;根据拱坝孔口浇筑仓的形状和尺寸,在CAD软件中建立孔口部位混凝土浇筑仓的实体模型,从该CAD模型中提取坐标值,导入到ANSYS中,在有限元软件ANSYS中的前处理器中,按照步骤1-2确定的坐标系建立拱坝孔口部位混凝土浇筑块的几何模型,并对该模型划分网格单元,完成步骤1中的拱坝孔口有限元仿真模型。将获得的日平均温度梯度混凝土表面温度Ts、气温Ta0及已知的混凝土表面放热系数β和导热系数λ带入步骤2中的公式(3),计算出拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热R。将步骤3中综合等效气温Ta *和监测得到的混凝土表面温度T,以及混凝土的表面放热系数β带入公式(5)中,得到第三类传热边界条件中的热流量q。利用ANSYS参数化设计语言对模型施加荷载和边界条件,孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面的边界条件均为热流量q,通水水温、通水流量、通水时间均按照实际通水方案采用,将步骤4-1中的混凝土平均温度T(t)代入步骤1-2中的有限元模型进行求解,并与现场实测混凝土温度进行对比,验证考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算的准确性,即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。
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