CN115422682A - 一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法及系统，该温控方法，结合风电机组大体积混凝土基础水化热温度场的分布规律，基于数值热传导理论方法，构建冷水管温控的温度场计算模型，确定冷水管间距参数。本发明解决了现有技术存在的建模工作量大、计算效率低等问题。

Description

一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体是一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法及系统。

背景技术

风电场通常布局于海拔较高的严寒地带，低温条件下风力发电机的基础浇筑建设作为工程总体的关键节点，整个浇筑过程均属于低温条件下大体积混凝土施工。混凝土在浇筑期间，因水化热效应导致结构内部产生大量热量。从而引起混凝土内部的温度升高，在塑性收缩和硬化过程中产生裂缝，结构内温度和温度应力变化复杂，造成混凝土收缩不均匀，造成结构局部开裂，严重时会影响结构的安全性、可靠性和耐久性。因此，对于风力机基础大体积混凝土结构在施工阶段的水化热控制有十分重要的理论价值及工程意义。

针对大体积混凝土的水化热研究，国内外学者进行了大量分析与实验，并提出了诸多措施来预防大体积混凝土的温度裂缝，如在施工过程中分层/块浇筑，实时监控结构内部温度场，采用低水化热水泥，在结构内部布置冷水管系统和采用低温流体散热等。其中，冷却水管因温控可靠性强、可持续性高以及经济性能好等特点，其已发展成为降低大体积混凝土水化热效应的最主要冷却措施。由此可见，结合风力机基础混凝土水化热温度场的分布规律，探讨冷却水管的相关参数对混凝土水化热冷却效果的影响至关重要。

关于大体积混凝土水化热冷水管温控的相关研究表明，因对流换热效果显著，冷却水管的布置方式以交叉型为最佳。但在布置冷却水管时，冷却水管间距却是影响冷水管效果的重要因素，所以如何确定冷却水管间距是混凝土冷水管水化热亟待解决的新问题。而目前分析手段多以建立有限元模型为基础，大多通过有限元模型的循环计算确定最优布置间距，但建模工作量极大，并不适合于水管间距前期设计的简化，计算效率过低。针对以上问题，根据大体积混凝土冷水管水化热的具体构造，基于数值热传导理论方法，提出一种风电机组基础大体积混凝土水化热冷水管温控及间距参数设计方法，同时对其温控效果进行了分析研究，构建冷却水管间距的解析计算方法，为大体积混凝土水化热冷水管温控研究提供方法支撑。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法及系统，解决现有技术存在的建模工作量大、计算效率低等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，结合风电机组大体积混凝土基础水化热温度场的分布规律，基于数值热传导理论方法，构建冷水管温控的温度场计算模型，确定冷水管间距参数。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

S1，构建等效热传导模型：构建冷水管温度场的热传导模型，将冷却水管的温度场视为内部冷却源的空间不稳定温度场；

S2：构建温度场计算模型：将冷水管间距视为热传导模型中的相邻节点距离，建立包含冷水管间距的温度场计算模型，将冷却水管的温度场的计算等效为对空间不稳定温度场在给定的初始条件和边界条件下的温度场计算模型求解；

S3，计算节点温度：将步骤S2建立的包含冷水管间距的温度场计算模型的计算区域采用有限体积法离散成网格，计算被离散区域网格边界节点的温度及中间插值节点的温度；

S4，计算冷水管间距参数：根据步骤S3计算的网格边界节点的温度及中间插值节点温度，联合确定冷水管的最优间距参数。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，大体积混凝土冷水管降温的分析计算公式为：

式中，k为导热系数，T为温度，S为单位容积的发热率，dx为两个相邻的温度计算节点之间的距离；

将式(1)表示为：

S＝S_C+S_PT_P (2)

式中，S_C为S的常数部分，S_P为随温度T变化的函数，P表示广义的节点，T_P为温度计算节点P的温度。

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，包含冷水管间距的温度场计算模型公式为：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+b (5)

式中，待定系数a_E、a_W、a_P、b为：

其中，节点P将网格节点E及节点W作为它的两个相邻节点，节点E为下游方向，节点W为上游方向，字母e表示节点P的下游界面，字母w表示节点P的上游界面，Δx表示下游界面与上游界面之间的距离，δx表示下游节点与上游节点之间的距离，(δx)_e表示节点E至节点P的距离，(δx)_w表示节点W至节点P的距离，a_E、a_W、a_P、b为待定系数，T_p为温度计算节点P的温度，T_E为节点E的温度，T_W为节点W的温度，h为放热系数，T_f为环境介质温度。

作为一种优选的技术方案，对于计算区域起始节点或末尾节点，待定系数a_W、a_P以及b被表示为：

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，T₀节点，其节点温度关系满足：

T₀＝t₀ (9)

式中，T₀为冷水管位置处节点温度，t₀为冷水管中冷却水的温度；

T₁节点的温度关系为：

式中，T₁为插值节点温度，T₂为边界节点温度。

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，T₂节点的温度关系为：

作为一种优选的技术方案，步骤S4中：

式中，Δx₁和Δx₂分别为方程(13)的两个根，h为放热系数，T_f为环境介质温度。

作为一种优选的技术方案，公式(17)中，冷水管间距满足下列条件：

式中，Δl为冷却水管的间距。

一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控系统，基于所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，包括依次相连的以下模块：

等效热传导模型构建模块：用以，构建冷水管温度场的热传导模型，将冷却水管的温度场视为内部冷却源的空间不稳定温度场；

温度场计算模型构建模块：用以，将冷水管间距视为热传导模型中的相邻节点距离，建立包含冷水管间距的温度场计算模型，将冷却水管的温度场的计算等效为对空间不稳定温度场在给定的初始条件和边界条件下的温度场计算模型求解；

节点温度计算模块：用以，将包含冷水管间距的温度场计算模型的计算区域采用有限体积法离散成网格，计算被离散区域网格边界节点的温度及中间插值节点的温度；

冷水管间距参数计算模块：用以，根据网格边界节点的温度及中间插值节点温度，联合确定冷水管的最优间距参数。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

本发明结合风电机组基础混凝土水化热温度场的分布规律，基于数值热传导理论方法，构建冷水管温控的温度场理论数学计算模型，确定其间距参数设计方法及安装方式；本发明简单易行，经实例和数据验证可靠性较高，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中的风电机组基础大体积混凝土冷水管断面图；

图2是图1的一个纵剖视图；

图3是本发明实施例中的一维问题的计算网格；

图4是本发明实施例中的冷水管温度节点示意图；

图5是本发明所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法的步骤示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、混凝土，2、冷水管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图5所示，本发明结合交叉式冷却水管的布局，基于数值热传导理论，构建了风力机基础大体积混凝土水化热冷水管温控场数学模型。基于有限体积数值计算方法，提出了风力机基础大体积混凝土水化热冷水管温控间距参数设计方法。包括如下步骤：步骤1)：将风力机基础大体积混凝土水化热冷水管温控场等效为热传导数学模型；步骤2)：建立冷水管间距的温度场数学模型；步骤3)：计算各离散及插值节点的温度；步骤4)：计算冷水管间距参数。本发明通过确定冷水管的最优间距对于提倡环保节能的绿色施工和大体积混凝土水化热冷水管温控有着十分重要的理论价值及工程意义。

包括以下步骤：

步骤1：将风力机组基础大体积混凝土1水化热冷水管温控场等效为热传导数学模型。

鉴于大体积混凝土1温度由内向外逐高至低的分布规律，交叉型排布方式的冷却水管措施因其对流换热效果显著、便于实施且经济性能优越等特点，逐渐受到工程行业青睐已成为业界最广泛的应用措施，其平面布置如图1。

大体积混凝土1中冷水管2的布置的断面如图2，水管之间的间距被记为Δl。冷水管2被等效为冷却源，且两排冷水管2中间的冷却效果达到混凝土中心温度一半为最佳。冷却水管的温度场可视为内部冷却源的空间不稳定温度场，其温度场的计算是对空间不稳定温度场的热传导方程在给定的初始条件和边界条件下的求解。

根据图2的简化数学模型，基于一维稳态热传导理论，大体积混凝土1冷水管降温的分析计算可表示为

式中，k为导热系数，T为温度。S为单位容积的发热率，其可表示为

S＝S_C+S_PT_P (2)

式中，S_C为S的常数部分，S_P为随温度T变化的函数。

步骤2：建立冷水管间距的温度场数学模型。

将图2中的两个冷水管2距离的一半离散为图3中的网格节点群，图3中的P表示广义的节点，该点将网格节点E及W作为它的两个邻点(E为下游，即坐标轴正方向；而W为上游，表示坐标轴负方向)。同时，与各个节点对应的控制容积也用同一个字符表示。节点P的上下游两个界面分别用字母e和w表示，虚线表示控制容积面。两个界面的距离用Δx表示，E点至节点P的距离用(δx)_e表示，W点至节点P的距离用(δx)_w表示。

结合图3和公式(1)，对控制容积积分可得

采用分段线性分布的方式来计算公式(3)中的dT/dx，可得

式中，下标W和w表示控制容积上游节点，E和e表示控制容积下游节点，Δx表示两界面之间的距离，δx表示两节点之间的距离。

为了方便起见，将离散化方程(4)改写为

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+b (5)

式中，待定系数a_E、a_W、a_P、b可被表示为

对于边界节点，将离散化方程(4)可以改写为

a_PT_P＝a_WT_W+b (7)

式中，待定系数a_W、a_P以及b可被表示为

式中，h为放热系数，T_f为环境介质温度。

步骤3：计算各离散及插值节点的温度。

由于冷水管2被等效为冷却源，且两排冷水管2中间的冷却效果达到混凝土中心温度一半为最佳，故取图2中冷水管位置处(记为T₀)和两冷水管中心位置处(记为T₂)为计算温度节点，T₁为插值节点温度，将其离散成图4所示的三个温度节点。

对于图4中的T₀节点，其节点温度关系满足

T₀＝t₀ (9)

式中，t₀为冷水管2中冷却水的温度。

对于图4中的T₁节点，根据公式(6)，待定系数a_E、a_W、a_P以及b可被表示为

代入公式(5)，可得T₁节点的温度关系

对于图4中的T₂节点，其属于边界节点(即两冷水管中心位置节点)的节点温度，根据公式(8)，待定系数a_W、a_P以及b可被表示为

代入公式(7)，可得T₂节点的温度关系

步骤4：计算冷水管间距参数。

根据图2和图3的几何关系，冷水管间距与界面距离Δx之间的关系为

而冷水管2被等效为冷却源，且两排冷水管2中间的冷却效果达到混凝土中心温度一半为最佳，故

联立公式(9)、(11)和(13)至(15)，可得

SΔl²+(4hT_f-2hT₀)Δl+4kt₀＝0 (16)

通过求解公式(16)，可获得冷水管间距为

最终，综合考虑公式(17)中解的有效性及经济性原则，冷水管间距需满足下列条件

本发明切实可行的大体积混凝土冷水管水化热的具体构造，基于数值热传导理论方法，将风电机组基础大体积混凝土水化热冷水管温控场等效为热传导数学模型，并建立冷水管间距的温度场数学模型。计算各离散及插值节点的温度，构建冷却水管间距的解析计算方法，对于提倡环保节能的绿色施工和大体积混凝土水化热冷水管温控有着十分重要的理论价值及工程意义。

鉴于大体积混凝土温度由内向外逐高至底的分布规律，交叉型排布方式的冷却水管措施因其对流换热效果显著、便于实施且经济性能优越等特点，逐渐受到工程行业青睐已成为业界最广泛的应用措施，其平面布置如图1。

如图2所示，本发明提到的将风电机组基础大体积混凝土水化热冷水管温控场等效为热传导数学模型的具体过程。

如图3所示，本发明的一维问题的计算网格。

如图4所示，本发明的冷水管温度节点示意图。

本发明所提倡的风电机组基础大体积混凝土水化热冷水管温控及间距参数设计方法已经过有限元数值模拟软件验证其正确性，验证了设计方法的合理性。

综上所述，本发明对于提倡环保节能的绿色施工和大体积混凝土水化热冷水管温控有着十分重要的理论价值及工程意义。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，结合风电机组大体积混凝土基础水化热温度场的分布规律，基于数值热传导理论方法，构建冷水管温控的温度场计算模型，确定冷水管间距参数。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，构建等效热传导模型：构建冷水管温度场的热传导模型，将冷却水管的温度场视为内部冷却源的空间不稳定温度场；

S2：构建温度场计算模型：将冷水管间距视为热传导模型中的相邻节点距离，建立包含冷水管间距的温度场计算模型，将冷却水管的温度场的计算等效为对空间不稳定温度场在给定的初始条件和边界条件下的温度场计算模型求解；

S3，计算节点温度：将步骤S2建立的包含冷水管间距的温度场计算模型的计算区域采用有限体积法离散成网格，计算被离散区域网格边界节点的温度及中间插值节点的温度；

S4，计算冷水管间距参数：根据步骤S3计算的网格边界节点的温度及中间插值节点温度，联合确定冷水管的最优间距参数。

3.根据权利要求2所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，步骤S1中，大体积混凝土冷水管降温的分析计算公式为：

式中，k为导热系数，T为温度，S为单位容积的发热率，dx为两个相邻的温度计算节点之间的距离；

将式(1)表示为：

S＝S_C+S_PT_P (2)

式中，S_C为S的常数部分，S_P为随温度T变化的函数，P表示广义的节点，T_P为温度计算节点P的温度。

4.根据权利要求3所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，步骤S3中，包含冷水管间距的温度场计算模型公式为：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+b (5)

式中，待定系数a_E、a_W、a_P、b为：

其中，节点P将网格节点E及节点W作为它的两个相邻节点，节点E为下游方向，节点W为上游方向，字母e表示节点P的下游界面，字母w表示节点P的上游界面，Δx表示下游界面与上游界面之间的距离，δx表示下游节点与上游节点之间的距离，(δx)_e表示节点E至节点P的距离，(δx)_w表示节点W至节点P的距离，a_E、a_W、a_P、b为待定系数，T_p为温度计算节点P的温度，T_E为节点E的温度，T_W为节点W的温度，h为放热系数，T_f为环境介质温度。

5.根据权利要求4所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，对于计算区域起始节点或末尾节点，待定系数a_W、a_P以及b被表示为：

6.根据权利要求4或5所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，步骤S3中，T₀节点，其节点温度关系满足：

T₀＝t₀ (9)

式中，T₀为冷水管位置处节点温度，t₀为冷水管中冷却水的温度；

T₁节点的温度关系为：

式中，T₁为中间插值节点温度，T₂为边界节点温度。

7.根据权利要求6所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，步骤S3中，T₂节点的温度关系为：

8.根据权利要求7所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，步骤S4中：

式中，Δx₁和Δx₂分别为方程(13)的两个根，h为放热系数，T_f为环境介质温度。

9.根据权利要求8所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，其特征在于，公式(17)中，冷水管间距满足下列条件：

式中，Δl为冷却水管的间距。

10.一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控系统，其特征在于，基于权利要求1至9任一项所述的一种风电机组混凝土基础水化热冷水管温控方法，包括依次相连的以下模块：

等效热传导模型构建模块：用以，构建冷水管温度场的热传导模型，将冷却水管的温度场视为内部冷却源的空间不稳定温度场；

温度场计算模型构建模块：用以，将冷水管间距视为热传导模型中的相邻节点距离，建立包含冷水管间距的温度场计算模型，将冷却水管的温度场的计算等效为对空间不稳定温度场在给定的初始条件和边界条件下的温度场计算模型求解；

节点温度计算模块：用以，将包含冷水管间距的温度场计算模型的计算区域采用有限体积法离散成网格，计算被离散区域网格边界节点的温度及中间插值节点的温度；

冷水管间距参数计算模块：用以，根据网格边界节点的温度及中间插值节点温度，联合确定冷水管的最优间距参数。

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