基于ANSYS Workbench的泄水閘室靜冰溫度梯度數理模擬研究

付志坤，余小花

(江西省潦河工程管理局，江西 宜春 330700)

泄水閘室抗冰害設計和維護離不開對閘室冰層溫度梯度分布規律的充分研究和把握。為探究泄水閘室冰層的靜冰壓力分布狀態和規律，本研究以開敞式泄水閘冰層視角，借助ANSYS Workbench分析系統，對泄水閘室靜冰溫度梯度開展多參量數理模擬計算分析，以為閘室抗冰害工程應用提供研究和技術參考，助力建設安全牢固的泄水閘門工程。

1 泄水閘室靜冰數理模擬模型

1.1 閘室的實體冰層模型

泄水閘常見有兩種，一種是涵洞式，另一種是開敞式。它主要由兩部分組成，分別是閘室和上下游連接段。就前者而言，它在泄洪中發揮著功不可沒的主體作用，結構布局相對比較簡單，主要由閘門、底坎等基礎設施組成。因為閘室結冰層便于觀察與研究，因此在本文中，筆者將立足于開敞式泄水閘冰層視角，對靜冰壓力分布規律展開廣泛且深入地探討與研究。

冰層常見于閘門與左右閘墩上游側合圍區域。雖然泄水閘閘室體積大小不一，但因為本文是側重于對靜冰壓力分布規律的研究與分析，因此可忽略體積規格等問題。通過對松花江大頂子山樞紐工程閘門數據的有效梳理與系統總結，筆者決定建設孔口寬度20 m、閘墩引流長度5 m的側合圍區域。翻閱相關文獻資料后得知，松花江冰厚基本保持在1m左右。基于此筆者決定建設規格為20 m×5 m×1 m的長方體，并利用這些數據建立三維立體模型。

1.2 網絡模型的加密劃分

大量實踐研究已明確證實，相較于四面體網絡，六面體網絡的優勢更為顯著，既能規避計算誤差，還能縮短計算時間，從根本上保證計算效率。因此，在本課題中，筆者選用了集多重優勢為一身的六面體網絡劃分技術。同時利用先進且可靠的Solid90系統對單元開展技術劃分。研究和經驗均告訴我們，冰層厚度是引發靜冰壓力差異的關鍵因素，因此本研究重點在模擬計算模型的y方向，實施了多層加密劃分，單元體積為100 mm且冰層為10層。而x與z方向單元體積均設定為500 mm。其中，單元和節點的規模分別達到了4 000個和18 821個。不僅如此，約束邊界條件發生改變，同樣也會引發靜冰壓力變化。理論上講，冰層的約束條件可劃分為以下兩種：一是河道式斜坡約束，比如水庫、河道等；二是閘墩式豎直約束，比如蓄水池等。為論證靜冰壓力是否具備貫穿性，分別基于兩種約束條件下展開逐一研究，最后對獲得的結果進行對比與分析。

1.3 閘室冰層的熱力參數

通過國內外學者的研究成果及有效數據的整理與歸納，本研究依據的泄水閘室冰層主要熱力學參數具體詳見表1所示。

表1 泄水閘室冰層主要熱力學參數

2 沿冰厚的穩態及瞬態溫度梯度模擬計算分析

2.1 沿冰厚的溫度穩態梯度計算模擬分析

穩態冰層溫度場系為給冰面確定一個溫度值，通過技術對檢測確定出溫度梯度分布情況，也就是求出初始溫度。在本課題中，筆者提出了以下幾個假設前提：

(1)受環境變化影響，冰層的溫度會發生一定改變，因此假設環境溫度和冰層溫度都是穩定升高的。

(2)為更好地反映冰層內部溫度場，我們將冰層假定為不存在氣泡、不存在縫隙以及熱傳遞符合理論要求的理想狀態。

(3)初始冰面溫度設定為-20℃，初始氣溫與初始冰面溫度完全一致。

(4)定義冰水接觸面為恒定0℃。

根據計算結果繪制出相匹配的溫度走勢分布圖，具體見圖1所示：

(冰面溫-20℃，冰厚1 m，底面溫0℃)

從圖1數據分析，我們可以了解到，冰溫與冰厚間有顯著的線性關聯關系存在，而且同層冰溫基本完全一致。此狀態表明，冰溫差異主要集中反映在厚度方向。

2.2 沿冰厚的瞬態溫度梯度模擬計算分析

瞬態傳熱，顧名思義，就是系統在短時間內就能快速達到整體升溫或者冷卻的狀態。基于冰層升溫條件下靜冰壓力才會對應發生相對改變，因此本研究選擇忽略冰層降溫角度的分析研究。求解瞬態溫度場模擬計算中，將初始溫度作為迭代對象，并通過一系列數據計算確定出熱力學值，由此便可獲悉冰層的瞬態梯度溫度分布狀態。

在整個冰層的整體溫升過程中，模擬計算系統就會相機產生如下兩個重要計算參數，一為升溫時程跨度，二為溫度增量。通過對這兩個參數進行求導計算便可確定出溫升率。

3 基于溫度增量參數恒定的溫度梯度計算分析

基于-20℃～-10℃的溫度區間內，設定溫度增量參數為10℃。分別對4個時程跨度下的瞬態熱進行全面分析。由此生成的冰厚/溫度曲線關系如圖2所示：

(冰厚1 m，-20℃至-10℃溫度段，溫度增量10℃)

圖2曲線揭示，在溫度增量不變但時程跨度差異的條件下，溫度在冰厚上1/3處大范圍浮動，但在下2/3處表現出很強的線性特征。這就意味著說明冰層表面溫度逐層向下傳，但存在延時現象。而超過1/3冰厚后熱傳遞基本穩定，直至最后趨近0℃；盡管存在明顯的時程跨度差異，但最低溫度點都在冰厚0.2 m處形成。在時程跨度增加的同時，最低溫度點的位置也相應下移；當溫度增量恒定時，時程跨度越長，溫度變化浮度就越小，時程跨度越短，溫度變化就越顯著。由此可斷定，在溫升率不斷減小的情況下，冰層溫度變化也會愈發平穩。

3.1 基于時程跨度參數恒定的溫度梯度計算分析

基于四個不同的溫度區間內，分別對6個時程跨度下的瞬態熱分布狀態開展計算分析。模擬計算所生成的溫度段冰厚/溫度關系曲線具體可見圖3所示。

(冰厚1m、時程6h跨度)

圖3曲線揭示，在時程跨度相同的場景下，溫度在冰厚上1/3處大范圍浮動，但在下2/3處表現出很強的線性特征。這就意味著說明冰層表面溫度逐層向下傳，但存在延時現象。而超過1/3冰厚后熱傳遞基本穩定，直至最后趨近0℃；盡管存在明顯的時程跨度差異，但最低溫度點都在冰厚0.2 m處形成。在時程跨度增加的同時，最低溫度點的位置也相應下移；在時程跨度不變的前提下，隨著溫度增量的不斷減小，溫度變化浮度也相應變小。由此可斷定，在溫升率不斷減小的情況下，冰溫變化也會愈發平穩。其原因在于溫升率減小，冰層可接收到的熱量就越少，冰水溫度的浮動變化也就不顯著。

3.2 基于溫度段差異的梯度溫度計算分析

本研究設定溫度段、溫度増量、時程跨度參數見表2所示，兩種溫度段溫度冰厚關系曲線見圖4所示。

(冰厚1m、時程6h跨度、溫度10℃增量)

圖4數據揭示，溫度最低點均于0.2 m冰厚區域形成。意味即便處于不同的溫度段，在時程跨度相同和溫度增量不變且狀態下，最低溫度發生區域仍不會發生改變。原因是在溫升率一致的條件下，它們傳遞的熱量系為相同，故最低溫度點多發生于同一位置區域；并且溫升率基本相同，即便溫度段有所不同，冰溫分布規律和變化趨勢也是完全吻合的，由此可見，溫升率是影響冰溫分布的一個決定性因素。

表2 溫度段、溫度増量、時程跨度參數值

4 結語

本研究以數理模擬計算分析的方式，對泄水閘室靜冰溫度梯度開展多參量數理模擬計算分析。基于計算成果，主要得出了以下幾個重要結論：

(1)在穩態溫度場狀態中，冰溫表現為沿冰厚方向差異分布并且呈線性對應狀態。

(2)在瞬態溫度場狀態中，冰厚的上1/3區域為非線性狀態，余下區域則線性特征明顯。冰厚的上1/3區域產生溫度最低點。溫升率是影響冰溫分布的一個決定性因素，溫升率越大，冰溫變化就越大，反之則越低。

(3)靜冰壓力在冰厚上1/3處表現出非線性特征，而其他位置則表現出明顯的線性特征。靜冰壓力最大值在1/3處出現，靜冰壓力在上半部的系數>0，下半部對應的系數則<0。越大的溫升率條件下，冰溫和靜冰壓力越產生顯著變化。在保持溫升率不變條件下，非常低的起始溫度，則意味靜冰壓力也相對很小；冰層厚度越大，靜冰壓力也就越大；相較于閘墩式豎直約束邊界，河道式斜坡約束的靜冰壓力不僅小，而且冰溫變化也不大。