凝凍天氣水閘積冰影響因素仿真分析研究

楊 文，明 星

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司,貴州 貴陽 550081）

凝凍現象在我國西南貴州等地冬季普遍存在,是雨凇和霧凇在結構表面凝結生長的自然現象[1]。農田灌溉輸水作業中,水閘多暴露在野外,地理環境復雜,氣象條件惡劣,凝凍天氣氣候事件極易導致閘門與門槽凍結,擾亂區域沿線農業生產和水利設施的穩定運行,嚴重時會危害水閘動力提升系統和混凝土支撐結構的安全壽命。其受災程度與積冰量直接相關,多以積冰厚度作為衡量指標[2]。因此,研究影響水閘積冰增長的主要環境因素,探索科學的農田水利工程防凍減災方法是十分必要的。

研究積冰的方法主要有三大類[3]：①工程估算,采用由理論分析及試驗結果所得到的經驗公式和圖表進行估算；②實驗研究,通過相似理論設計冰風洞試驗,得到結構表面在冷鋒氣流作用下覆冰的形狀；③數值模擬,建立風場物理過程數學模型,經計算機計算求解固體表面積冰形狀特征。工程估算不研究積冰的發展過程,只估計表面覆冰范圍和冰形,適用的研究范圍小。實驗研究可以直接觀測積冰過程,但是模型實驗難度大、成本高、周期長,限制因素很多。相比較而言,數值模擬基于簡化過的實際物理過程,建立數學模型模擬積冰過程,適用的研究范圍廣,可大幅降低研究成本。隨著計算流體力學的發展和計算機算力的提高,結冰數值仿真在多領域研究中得到了應用。

結冰數值模擬的目標是獲得結構表面覆蓋冰層的質量和形態。模擬過程中首先計算N-S（Navier-Stokes）方程求解外流場結構特征,以此為基礎應用拉格朗日法或歐拉法計算水滴軌跡,得到撞擊結構表面液滴的水收集系數,然后通過積冰模型分析表面結冰量。目前針對結冰計算有很多軟件,如美國的LEWICE、加拿大的FENSAP-ICE、英國的DRA、法國的 ONERA、意大利的 CIRAMIL等軟件都是基于Messinger模型[4]所開發,通過求解固體結構表面控制體內,液體的質量守恒和能量守恒方程計算結冰量。其中FENSAP-ICE[5]是目前最成功的商用結冰仿真軟件。加拿大麥吉爾大學提出的SWIN模型認為控制體內未凝結的水會在結構表面形成一層水膜 ,應用牛頓剪應力公式計算水膜液體流速,估計控制體中液體的流出量,其結冰計算結果與實際物理過程一致性較好。英國的克蘭菲爾德大學提出的Myers模型[6]在剪切力作用的基礎上,增加了壓力、表面張力和重力,完善了水膜流動物理過程的描述。本文采用目前成熟的FENSAP-ICE結冰仿真軟件,模擬凝凍天氣條件下的水閘積冰現象,分析局部氣象要素對覆冰發展的影響特征,可以豐富農田水利施工積冰分析資料,為優化水閘結構解決覆冰問題提供科學依據。

1 水閘積冰計算

1.1 計算模型

根據本項目現場實驗水閘三維模型,研究閘門與門槽連接區域積冰特征,簡化略去了頂部提升機構、支撐梁及配套附件,建立的流場控制體包含閘門與門槽接觸部分,得到如圖1所示的流場分析模型,采用ANSYS Model軟件實現網格劃分,見圖2,網格總數250萬,網格質量大于0.2。

圖1 水閘模型及流場區域

圖2 水閘網格劃分

1.2 計算方法

由FENSAP-ICE三個模塊模擬水閘在大氣冷鋒作用下的結冰過程,按照外流場計算、水滴撞擊特性分析和結冰計算的順序完成[7-9]。首先Airflow模塊求解Navier-Stokes方程,實現質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程計算；其次 Droplet模塊根據氣、液兩相流建立控制方程,由水滴體積分數建立水滴連續方程和運動方程,求解固體表面水的體積分數和流速,進而計算局部水滴收集系數；最終Ice accretion模塊利用Messinger模型進行質量和能量平衡分析,計算結冰量。

1.3 積冰仿真

為研究水閘表面在冷鋒過境時的結冰情況,將來流溫度控制在-8℃,設置仿真分析條件見表1。

表1 結冰計算條件

按照圖3所示計算流程,應用FENSAP-ICE對圖1所示水閘模型實施結冰仿真,結果見圖4。從圖4 中可知水閘表面積冰的分布特點。覆冰現象最先在閘門和門槽連接密封處形成,隨冷鋒攜帶過冷卻水滴持續作用,覆冰面向中心部分擴展,閘門頂部蓄水能力弱,形成覆冰的速度緩慢。因此,在閘門和門槽等結構連接處易形成積冰。從圖5積冰厚度分布圖中可知,水閘下部門槽附近的積冰厚度最大約為0.17 mm,門槽兩側積冰厚度向上逐漸減小,頂部覆冰厚度最小。

圖3 結冰計算流程

圖4 迎風面積冰分布

圖5 水閘表面覆冰厚度分布

2 水閘積冰過程影響因素分析

凝凍天氣伴隨有多次冷鋒過境,覆冰是在高寒潮濕地區冷鋒過境時,凍雨、濕雪和霜霧攜帶的過冷卻水滴,隨風撞擊結構表面凍結的過程。積冰形成既受大范圍氣候特征和環流形式控制,也和水閘所在地的溫度、濕度、冷暖空氣對流等局部區域因素相關。

2.1 覆冰影響因素

凝凍過程中空氣中的過冷卻水（霧滴或雨滴）隨風撞擊到水閘表面,覆冰范圍、厚度和分布特征受水閘結構特點、氣象條件和迎風面溫度影響。直接相關的參數有：①液態水含量（LWC, Liquid Water Conten）是指單位體積大氣所含過冷卻水滴的質量和,常用單位是g/m3；②環境溫度是指凝凍天氣條件下,水閘所處地理位置的大氣溫度,常用單位為℃或K；③水滴平均直徑（MVD, Median Valid Diameter）是描述水滴尺寸大小的物理量,其常用單位為μm。實際云、霧中的水滴直徑是多變的,不同尺寸的水滴在氣流中的分布也是不均勻的,通常將單位體積含水量最大時對應的水滴直徑作為水滴平均直徑；④風速是指凝凍天氣下空氣流經水閘的速度,其常用單位為m/s。

2.2 凝凍結冰的環境特征

雨凇和霧凇及兩者都存在的混合淞是覆冰形成的主要形式。區別是形成結冰時大氣中的液態含水量和水滴直徑不同。降雨水滴直徑在0.1 mm～8 mm內分布,霧氣中的水滴直徑在3 μm～100 μm中變化。在-10℃～0℃范圍內,小直徑水滴在固體表面凍結形成霧凇,大直徑水滴凍結形成雨凇。由于雨凇凍結過程中,部分過冷卻水滴在固體表面流動,會形成硬度較高的冰層。霧凇發生時的風速較低,不超過2 m/s；雨凇發生時風速相對較高,可達到10 m/s。

2.3 仿真實驗條件

前述積冰仿真過程說明FENSAP-ICE軟件能夠較好得模擬水閘表面覆冰發展的過程。本文采用數值模擬的方法分析水閘表面覆冰厚度生長的規律。采用圖4 所示水閘模型,按照前述覆冰形成環境特征,制定表2 所示的仿真實驗計算條件,分別模擬水閘結冰,統計各條件下水閘積冰最大厚度。實驗方案設計時選擇0 號案例作為參考,其余計算條件參考案例0 調整參數,實施仿真實驗。

表2 仿真實驗案例分析計算條件

3 實驗結果

3.1 溫度

案例1～3中溫度存在差異,其余積冰條件與案例0相同。分析這四個算例,得到如圖6所示的不同溫度條件下水閘表面覆冰厚度最大值。

圖6 覆冰厚度隨溫度變化趨勢

從圖6中可以看出相同條件下,溫度越低表面覆冰的厚度越大。當溫度從-0.5℃降到-8℃時,覆冰厚度的增量較大；當溫度從-8℃降到-12℃時,覆冰厚度的增量較小。覆冰厚度的增量隨著溫度的降低而減小。曲線擬合得到覆冰最大厚度h與溫度t的變化關系為：擬合結果較好。

3.2 水滴直徑（MVD）

案例4～6 中積冰條件除了氣流中的水滴直徑,其余積冰條件都與案例0 相同。分析這四個算例,得到如圖7所示不同水滴直徑條件下水閘表面覆冰厚度最大值。

圖7 覆冰厚度隨水滴直徑變化趨勢

從圖7中可以看出,水滴直徑10 μm的覆冰厚度最小,20 μm、30 μm和40 μm時厚度隨水滴直徑增大而變大,但是隨著水滴直徑增大,覆冰厚度增速變緩。曲線擬合得到覆冰大厚度h與水滴直徑d的變化關系為：

擬合結果反映了兩者總體的變化趨勢。

3.3 液態水含量（LWC）

案例7～9 中積冰條件除了氣流中的液態水含量,其余積冰條件都與案例0 相同。分析這四個算例,得到如圖8所示不同液態水含量條件下水閘表面覆冰厚度最大值。

圖8 覆冰厚度隨液態含水量變化趨勢

從圖8中可以看出,覆冰厚度隨著液態水含量的增大而增大,與水滴直徑影響特征相似,液態水含量增大后,覆冰厚度的增量減少。擬合得到最大覆冰厚度h與液態含水量C的變化關系為：

液態含水量與覆冰最大厚度間的相關性比水滴直徑好,趨勢線斜率較大,參數變化的影響能力較水滴直徑大。

3.4 風速

案例10～12 中積冰條件除了風速,其余積冰條件都與案例0 相同。分析這四個算例,得到如圖9 所示不同風速條件下水閘表面覆冰厚度最大值。

圖9 覆冰厚度隨風速變化趨勢

低溫條件下,風可以不斷向水閘表面輸送過冷卻水滴,促使積冰發生,但是從圖9 中可以看出,覆冰厚度隨著風速增大而減小,這是因為水滴收集系數分布特征改變,在實際條件下過冷卻水滴在凝結過程中容易被風吹離水閘表面,不易附著結冰。曲線擬合得到覆冰最大厚度h與風速v的變化關系為：

覆冰厚度h與風速v間的相關性較差,在風速增大時覆冰厚度減少量變小。

3.5 水閘表面粗糙度

案例13～15 中積冰條件除了結構表面粗糙度,其余積冰條件都與參考案例0 相同。分析這四個算例,得到如圖10 所示不同表面粗糙度條件下水閘表面覆冰厚度最大值。

圖10 覆冰厚度隨結構表面粗糙度變化趨勢

觀察圖10 中趨勢線變化特征,可以看出覆冰厚度隨著粗糙度值增大,先減小后增大,具有二次曲線的特征。曲線擬合得到覆冰最大厚度h與表面粗糙度r的變化規律為：

擬合結果較好。從總體變化特征來看,粗糙度變大會使覆冰厚度增大,但是持續改善表面光潔度,覆冰厚度沒有隨之減小。分析其原因,一般認為表面粗糙度大,過冷卻水滴更容易附著在固體結構表面,促進積冰形成。隨著粗糙度下降,水滴在固體表面附著主要取決于液體剪應力,體現為液體張力與固體表面的作用,這時固液附著能力與液體本身的屬性相關。因此,提高固體表面質量可以減少覆冰厚度,但是在光滑表面可改變的范圍不大。

4 總結

本文總結了積冰研究的主要方法,介紹了積冰數值模擬實現的原理和途徑,采用FENSAP-ICE結冰仿真軟件分析了凝凍天氣下影響水閘積冰的主要因素,得到了初步的結論。

（1）仿真實驗研究了來流條件和結構表面特征對水閘覆冰的影響。研究表明,低溫環境可以促進積冰形成和發展；水滴直徑和液態水含量對積冰具有相似的作用特征,增大空氣中的含水量會促進積冰形成；風速增大會減緩積冰的形成；固體結構表面粗糙會增加積冰厚度。

（2）項目研究涉及5 種參數,已獲得的結論有助于揭示凝凍天氣對水閘積冰的作用特征,但是當前研究只能反映現有參數區間的變化趨勢,后續應擴大參數取值范圍,并在實驗研究中驗證仿真實驗結論的準確性。