网格尺寸对混凝土水管冷却计算结果的影响

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1、第32卷第9期人民黄河Vo1．32．No．92010年9月YELLOWRIVERSep．，2010【水利水电工程】网格尺寸对混凝土水管冷却计算结果的影响黄耀英，赖斯芸，严寒柏，汪亚超，汤忠学，宫尚好(1．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；2．国务院南水北调办公室，北京100053；3．安徽省治淮重点工程建设管理局，安徽合肥230000；4．中水淮河安徽恒信工程咨询有限公司，安徽蚌埠233001；5．安徽水利开发股份有限公司，安徽蚌埠233000)摘要：研究了不同网格尺寸对大体积混凝土水管冷却计算结果的影响，结果表明：

2、水管附近的网格较粗时，计算的水管径向温度梯度小，沿程水温升幅小，出口水温偏低，导致“假冷”现象。对冷却水管进行网格剖分时，沿环向应设置8个等距离节点，沿水管径向单元最大尺寸至少应由0．05m过渡到0．1m，然后再过渡到常规尺寸单元。关键词：混凝土；水管冷却；网格尺寸；假冷中图分类号：TV315文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．09．038在混凝土内部埋设水管，进行通水冷却是一种有效的温控经过过水管段入口断面，水体的热能为措施?水管冷却时，混凝土空间温度场十分复杂。1985年朱伯aQ

3、=CuP。qdt(2)芳。。提出采埔精细有限元法计算水管冷却的效果，刘宁等经过水管段出口断面水体的热能为提出采用蔓维有限元计算冷却水管的方法，朱岳明等一。对直aQ，=cp，qdt(3)接采用三维有限元计算冷却水管的方法进行了完善，刘有志式中：A为混凝土的导热系数；q为水的流量；c为水的比热；p等’对钢管和塑料管是采用第一类边界条件还是采用第三类为水的密度；，为入口水温；，为出口水温。边界条件进行了对比研究。采用有限元法计算冷却水管时，如两截面之间水管段内水体增加或减少的热量为何划分单元是一个重要问题，朱伯芳对此进行了讨论，认为沿

4、水管径向0．5m范围内应布嚣4层单元以上，才能保证良好aQ=fcwp~(dt)山(4)的计算精度，笔者在朱伯芳研究的基础上进行了详细分析。式中：为截面之间的水体温度。由热量平衡条件1基本原理dQ，=dQ．+aQ一dQ(5)将式(1)～式(4)代入式(5)，推得水管段水温增量为求解三维不稳定温度场有限元控制方程的难点在于冷却水管边界，上的水温未知，但冷却水的入口温度已知。任取一△=+警㈦段冷却水管，见图1根据傅立叶热传导定律，水管外壁面混凝考虑到水管内水体体积很小，且通水时段内水管水体温度沿程土的热流量为g=一A。在图2中，考察在

5、dt时段内截面W．和on‘变化不大，式(6)可简为截面之间混凝土和水流之问的热量交换。△=ds(7)Cwpwq~,式中曲面积分J¨JO0Tds是影响沿程水温计算精度的关键。蔡建，波和朱伯芳。j建议采用拉格朗日插值公式逼近半径方向的图1带有冷却水管的混凝土体温度分布，朱岳明等认为可沿冷却水管外缘面混凝土单元边界面作高斯数值积分求得。笔者在计算该曲面积分时，采用蔡建波和朱伯芳的方法，视网格疏密，沿水管径向取2～4个节下-===了点进行分析。厂。L—ll_收稿日期：2010—04-08图2水管与混凝土热交换示意图作者简介：教育部科学技

6、术研究重点项目(2O8o92)；湖北省教育厅科学技术研混凝土经水管段整个内壁面，I向水流放出或吸收的热量为究项目(Z200713001，D20101207)；三峡大学基金项目(2008A007，2008B041)。作者简介：黄耀英(i977一)，男，湖南郴州人，博士，副教授，主要从事大坝安全aQ=一A』c(1)监控和水工结构数值计算方面的教学与科研工作。roE—mail：huangyaoying@sohu．com·89·人民黄河2010年第9期由于冷却水的入口温度已知，因此利用式(7)对每一根冷温越高；反之，水管附近网格较大，计

7、算的沿程水温升幅越小，却水管沿水流方向可以逐段推求沿程水温。设某根冷却水管共出口水温低，造成“假冷”现象。如Ml模型，水管附近网格细分为m段，入口水温为，第i段内水温增量为△，则有密，在通水期间，典型节点A、曰、C最高温度分别为13．474、，二27．730℃和32，644℃；在通水结束后，典型节点A、B、C最高=+艺△，(i：1，2，⋯，m)(8)温度分别为35．131、35．581℃和36．112℃。M3模型，水管附水管沿程水温的变化与温度梯度有关，是一个边界非线性近网格较大，在通水期间，典型节点A、B、C最高温度分别为问题

8、，所以温度场无法一次求出，必须采用迭代法逐步逼近真11．925、24．503℃和29．278℃；在通水结束后，典型节点A、、解。第一次迭代时可先假没整个冷却水管的沿程水温均等于C最高温度分别为33．697、34．098℃和34．586℃。M1模型典冷却水的入口温