（热能工程专业论文）动车除冰方法实验研究与模拟分析.pdf

中文摘要 寒冷冬季，尤其是在冰雪天气过后，列车运行过程中常常存在冰雪附着和车 底结冰等现象。中国列车时速越来越快，动车组成为铁路客运中的重要组成部分， 为了降低快速运行中列车覆冰所带来的潜在危险，动车除冰必须作为一个课题开 展研究。本文主要以实验和模拟的方法研究适合中国机车( 主要是动车) 除冰方 法的问题。 本文以国内外先进的除冰、防冰的实验和模拟研究为基础，在众多除冰方式 中首先选择出适合机车除冰的方法；然后结合国外已经运行的列车除冰装置，以 地源热泵系统为热源条件，简化出模型。利用计算流体动力学( c f d ) 软件f l u e n t 对融冰过程进行了数值模拟，得到各时刻计算区域的数值，并通过实验对模拟结 果进行检查，验证其科学性。通过f l u e n t 软件模拟，文章进- 步讨论了在一定 温度范围内除冰工质不同入流速度、入流温度、介质类型的融冰过程，并对融冰 进程进行分析。模拟结果表明：对于同一工质，提高流速和温度都能显著提高除 冰的速度，在模拟设定的边界条件下，提高流速所带来的除冰效果更明显；对于 不同工质类型，液态工质的除冰效率明显高于气态工质。模拟中涉及的热水和热 丙二醇的除冰效率基本相同，选择主要从物理化学特性角度考虑。 本文的模拟结果对机车除冰方法选择以及具体参数设置等工程问题具有一 定的参考价值。 关键词：动车除冰；凝固融化模型； 实验模拟研究；除冰方法效率 t h e r ea r esn o wa n di c ea t t a c h e dt ot h et r a i nw h e ni t i sr u n n i n gi nt h ec o 1 dw i n t e r w i t ht h es p e e do ft r a i nr a i s i n gf a s t ，e m u ( e l e c t r i cm u l t i p l eu n i t s ) h a sb e c o m et h e i m p o r t a n t w a yf o rr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h em e t h o do fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ni s u s e df o rf i n di n gt h eb e s tw a yt or e m o v et h ei c ea t t a c h e dt ot h et r a i n ，s ot h a tw ec a n r e d u c et h e p o t e n t i a lr i s kf o rt r a i nr u n n i n gw i t hi c ei nh i g hs p e e d b a s e do nt h ea d v a n c e dm e t h o do fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nf o rd e - i c i n ga th o m e a n da b r o a d ，t h es u i t a b l em e t h o df o rr e m o v i n gi c eo f t r a i nh a sb e e nc h o s e n t h em o d e l i sb u i l tw i t ht h ef o r e i g nd e - i c i n gd e v i c ef o rt r a i n ，a n dg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pi su s e d a sh e a ts o u r c ec o n d i t i o n t h en u m e r i c a lsi m u l a t i o noft h ei c e m e l t i n gi si m p l e m e n t e d w i t ht h e a i do fco m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t , a n dt h em e l t i n g p r o c e s si sv i s u a l i z e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r ec o m p a r e df o r v e r i f y i n g th esi m u l a t i o n a n dt h e n ，d e - i c i n gp r o g r e s sw i t hdi f f e r e n tw o r k i n gf l u i d ， t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t yi ss i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h es p e c i f i ch e a ts o u r c er a n g e t h e r e s u l ts h o w st h a tm e l t i n gt i m ed e c r e a s e s i g n i f i c a n t l yw i t ht h e i n c r e a s i n g o f t e m p e r a t u r ea n dv e lo c i t y , b u tt h ee f f i c i e n c yo fv e l o c i t yi sm o r er em a r k a b l e d e - i c i n g w i t hl i q u i dm e d i u mi sm o r ee f f i c i e n tt h a ng a sm e d i u m t h er e s u l tw i l lb ev a l u a b l ef o rt h ep r o j e c t ss u c ha sc h o o s i n gd e i c i n gm e t h o da n d p a r a m e t e r ss e t t i n g k e y w o r d s ：d e c i n g f o rt r a i ns e tw i t hp o w e r c a r ；s o l i d i f i c a t i o n m e l t i n gm o d e l ； e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ；e f f i c i e n c yo f d e i c i n gm e t h o d 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着中国列车的提速，动车组的大规模发展，人们对铁路交通安全的重视程 度越来越高。铁路交通的安全性高一直是铁路运输的重要优势，只有多方面考虑 安全问题，尽可能降低运输过程中产生的安全隐患，才能保持和巩固铁路运输的 优势地位。 我国大部分地区位于北温带和亚热带，属大陆性季风气候区，冬季比较寒冷， 广大地区都有下雪和结冰现象。尤其是在我国东北部，冬季室外气温常常在零下 二十摄氏度，有时甚至达到零下三十摄氏度这样的低温。列车长时间运行在这种 环境中，特别是在雨雪天气后，积雪结冰现象在所难免。虽然铁路交通的运行比 公路交通不易受到气候的影响，但是列车在冰雪天气运行时仍会存在安全隐患。 列车结冰有可能导致轨道交通延误，严重的积雪覆冰甚至导致列车停运和损坏。 冰雪容易堆积在列车底盘和转向架上面，如果不及时清除，可能会造成列车 刹车系统和轴承部件的故障。冰雪附着还可能会破坏车钩、车厢电缆，严重时甚 至导致列车的报废，给客货运输带来不便。同时还可能对交通设施造成严重破坏， 造成建设单位巨大的经济损失。传统的列车除冰方式是将列车拖入维修车间，然 后用加热的空气对冰层进行喷射使之融解。有时甚至采用人工敲打的方式直接敲 碎并清除附着在列车表面、车底的冰层。这些方式不仅耗费大量的人力物力，而 且在除冰效果以及除冰速率方面都不尽人意。其实，在很多领域有很先进的除冰 方式。例如飞机除冰有先进的红外线除冰【l 】，电磁脉冲除冰等方法。一直以来， 国内外对机车除冰的研究相对较少。选择合适的机车除冰方式，尤其是适合中国 动车组的除冰方法应该从除冰效率，耗能情况等多方面综合考虑，既要达到快速 除冰，不损害机车元件，又要实现减少能耗且防冰的目的。 本文以此为工程背景，将机车( 动车) 除冰问题抽象为一个模型，然后通过 实验和模拟方法进行系统的研究。在实验的基础上使用f l u e n t 软件进行模拟 分析，从而讨论了不同工质在不同温度、速度条件下的除冰效率。其结果对动车 除冰方法的选择和设计具有一定的指导作用。 1 2 国内外研究现状 融雪化冰实验及模拟研究工作在国内国外都有展开，一般都是针对实际的工 天津大学硕士学位论文第一章绪论 程问题。按照除冰对象分，主要有除雪研究、除霜研究、飞机机翼除冰研究、输 电线除冰研究、电站除冰研究等。 1 2 1 除雪的实验及模拟研究 除雪的方法主要有人工清除法、机械法、化学融雪法、加热方法等。对于除 雪技术的实验研究，开展比较早的有美国、日本、北欧等国家。这些国家在道路 热融雪化冰领域的技术比较领先，已经开展过许多的实验分析和模拟工作，有些 工作已经作为了示范工程。1 9 8 4 年，美国在俄亥冈州克拉马斯的一段道路上进 行利用地下热水的路面融雪化冰实验研究。此套系统成功运行多年，虽然曾因管 道材质铸铁上锈引起泄露而停工，但使用塑料管代替铁管后又重新运行，运行状 况一直良好【2 j 。二十世纪九十年代中后期，美国进行了大量的道路桥梁热融雪化 冰的研究。美国曾在五个州内建设大量应用工程，通过实验对比了许多加热方式 对于融雪化冰的效果，如电加热、热管加热、燃烧加热等，得到了大量有价值的 数据。日本是另一个除雪技术发达国家，早在1 9 9 5 年，日本就建造了全自动路 面蓄能循环热流体融雪化冰系鲥3 1 。自1 9 9 4 年开始，日本先后开展了多达4 0 余 项的各种示范工程1 4 。此外，还有芝加哥奥黑尔国际机场的化冰示范工程，他是 针对滑行跑道融雪化冰而设计【5 。瑞士高速公路热融雪化冰示范工程，他是针对 道路桥设训6 | 。奥斯陆国际机场的热融雪化冰系统，他是为停机坪设计【7 1 。波兰 机场热融冰系统，他是以地源热泵为热源的除雪化冰系统【8 】。 随着计算机性能的提升，计算机软件的丰富和数值计算方法的发展，计算机 模拟融雪化冰过程越来越受到人们的重视。早在1 9 9 8 年，美国就有学者在实验 的基础上建模分析并进行数值模拟的研究。美国俄克拉荷马州大学中有一座世界 上最大的道路桥专用实验系统【9 【1 们，在这套系统进行的热容冰实验的基础上，学 者们展开了数值研究。他们建立了数学模型，利用有限元法进行分析求解。波兰 华沙大学研究者也开展了模拟工作，他们模拟的是地埋管利用太阳能加热以实现 融雪化冰的研究】。此次模拟解决了非透明物体集热，传热瞬变等问题。 国内的融雪化冰无论是实验，还是模拟方面都还处在刚起步的状态。近年来 天津大学、北京工业大学等各大高校都开始开展不同形式的实验研究及模拟工 作。国内对于结冰所产生的问题已经开始重视，并且投入精力进行融冰方面的探 索和研究。 1 2 2 融霜的实验及模拟研究 除霜研究主要是在数值计算方法得到提升后开始的。专家学者们在早期做过 的许多工作为后来的除霜模拟奠定了基础，例如：w a r dj a t k i n s o n 对气温较低 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 环境下汽车挡风玻璃除霜问题进行了研究【1 2 】；b a s h a rs a b d u l n o u r 通过实验记录 了汽车出风e l 和挡风玻璃附近的速度场，对预测除霜器和挡风玻璃附近的温度 场、压力场等流场很有帮助l l 引。 除霜问题的研究在二十世纪九十年代末开展。1 9 9 7 年，b r e w t e r e t a l 进行了 汽车除霜的三维模拟。他使用c f d 软件进行了模拟分析，得到了和实验相近的 结论。19 9 8 年，b a s h e rs a b d u l n o u r 首先用热线风速法测量得到汽车除霜器和挡 风玻璃流场的实验结果，在此结果的基础上进行数值模拟分析。他使用s t a r - c d ( c f d 软件包) ，模拟结果与实验结果趋于一致。他得到结论：c f d 软件能够准 确的模拟汽车除霜器和挡风玻璃流场特点，具有比较高的可靠性【i 引。为了验证他 的结论，1 9 9 9 年a b d u l n o u r 又一次利用c f d 软件f l u e n t 进行了同样的除霜数 值模拟工作，又一次验证了除霜仿真计算结果的科学性【l 5 1 。 国内关于除霜问题的模拟研究晚于国外。2 0 0 6 年，吉林大学的硕士研究生 马宁进行了汽车除霜的模拟工作。他首先用g a m b i t 软件绘制三维模型，划分 并优化网格。然后使用c f d 软件f l u e n t 开启k s 紊流模型和融化凝固模型 对轿车空调除霜效果进行了模拟。后又讨论了不同风速、温度、入口角度对融霜 效果的影响，具有较高的学术科研价值【l6 | 。 1 2 3 除冰的实验及模拟研究 由于飞机对安全性能的要求很高，飞机在飞行过程中也比较容易结冰，较早 的除冰问题都是围绕飞机除冰开始的。和其他动力学问题一样，飞机积冰问题也 可以采用实验手段和数值计算手段进行。美国n a s ag l e n n 研究中心的冰风洞很 早就对飞机结冰问题展开研列7 1 ，飞机积冰飞行实验与风洞实验数据得到相互验 证 18 1 。s h i n 和b o n d 在n a s a 的冰风洞中对飞机翼积冰进行了全面系统的实验研 究 1 9 】，他们设置了从零下2 6 度到零下2 度的范围，对此温度范围内的各种冰型 ( 包括霜冰、明冰等) 进行了记录。数据具有很大的科学价值，为后续机翼除冰 的研究提供了条件。 针对飞机除冰的实验和计算早在2 0 世纪4 0 年代就已经开始。到了2 0 世纪 6 0 7 0 年代，计算流体力学( c f d ) 模拟研究迅猛发展，为计算机模拟飞机结冰 除冰问题提供了技术支持。到了2 0 世纪8 0 年代，基本已经形成了风洞实验配合 数值模拟的研究模式。2 0 世纪9 0 年代后至今，数值研究得到进一步发展。n a s a 的g l e n n 研究中心的计算代码l e w i c e 是最早的积冰模拟软件，代表了积冰数 值模拟的发展史。p o t a p c z u k 和b i d w e l l 在l e w i c e 代码的基础上，编辑开发出 了三维积冰代码l e w i c e 3 d ，并且在随后的模拟中验证了他的准确性【2 。后来， 学者r e e h o r s t 将l e w i c e 3 d 的模拟结果和实际情况进行对比后发现，模拟结果 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的准确性和实验相比还是有比较大的差距，实际情况更接近于实验的结论【2 1 1 。 国内对飞机除冰的研究起步较晚，技术也相对落后很多。2 0 0 0 年，中国台 北淡江大学的宛同是国内第一个进行机翼结冰数值计算的人，他通过求解e u l e r 方程得到了霜冰的外形【2 2 1 。2 0 0 4 年，为了研究常规的结冰现象，中国空气动力 研究与发展中心建设了一座积冰风洞专门进行实验研究。近年来，飞行器积冰的 研究已经受到国内学者的重视，包括南航和北航等高校在内的众多单位和机构正 在或准备进行科学研究。 输电线结冰问题一直是寒冷地区比较重视的问题。世界各国针对导线除冰进 行了很多的研究工作2 3 】 2 4 】【2 5 1 。上个世纪5 0 年代后，北美、北欧的许多国家都投 入了大量人力、物力、财力对如何解决输电线积冰问题进行研究。学者们探索输 电线路的积冰形成原因、结冰条件，并建立许多模型进行机理研究，取得了大量 成果。美国寒区研究与工程实验室出资在华盛顿的一座山顶建了一条输电线，专 门来监测结冰情况并进行相应的研究。法国的电力部门也在多姆山顶建立了观测 站，专门收集雪和雾凇的数据，并建立数据库。 我国对输电线除冰的研究起步也比较晚。随着电力行业的快速发展，输电线 路辐射范围越来越广。国内输电线结冰并出现事故的现象时有发生，引起了气象、 电力部门的高度重视。我国许多专家，学者对导线覆冰现象进行观测、实验，提 出了很多防范和处理导线结冰的意见和建议。1 9 8 2 年，西南电力设计院的研发 团队在四川黄茅埂地区建立覆冰观冰塔，进行科学研究和实验观察。他们记录了 1 4 年的气象和积冰数据，为高海拔、重冰区的工程设计提供了依据。 覆冰的研究需要有模型作为基础。无论是计算覆冰强度还是覆冰量、冰的密 度，都需要根据不同的模型进行分析。国内外提出了很多比较成熟的模型解决实 际问题，其中比较经典的有i m a i 模型、l e n h a r d 模型、g o o d w i n 模型、雾凇模型、 雨凇模型等。 1 3 本文研究主要内容 本文主要研究的是机车除冰方法问题。尝试从各种除冰方法中选定适合列 车，尤其是中国动车组除冰的方式。在地源热泵系统为热源的基础上，以实验、 模拟和数值分析的方法分析各选定除冰措施的优劣。文章的主要研究内容如下： ( 1 ) 搭建实验台，通过实验实测不同除冰方式的除冰效牢； ( 2 ) 根据动车组实际的结冰情况，归纳总结特点，简化抽象出物理模型， 并以地源热泵实际情况定义其边界条件； ( 3 ) 建立物理模型的二维数学模型，得到计算空间内的温度场、速度场、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 压力场、速度矢量场、融化时间等信息，与实验对比分析，验证模拟的科学性； ( 4 ) 在冰块融化模型的基础上，分析对比不同工质、温度、冲击速度下的 除冰效率，从而选定最适合动车组除冰的方式。 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 第二章除冰方法及模型设计 本章从结冰现象出发，分析结冰过程和结冰机理，阐述机车在寒冷冬季运行 时的结冰现象。分析归纳目前世界上比较成熟的机车除冰手段，最后总结出适合 中国动车组除冰的模型。 2 1 结冰现象 自然界中有很多结冰、覆冰现象。有些结冰问题给人们的生活带来了很大的 不便，有些结冰问题甚至危害人们的生命财产安全。目前，工程中许多结冰问题 需要解决，否则很可能产生很大的危险，例如电站结冰、输电线结冰、飞机机翼 结冰、铁路接触网结冰、道路雨雪后覆冰、机车车底结冰等。 图2 1 变电站设备覆冰 图2 2 输电线结冰 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 图2 - 3 机翼上的瘤状冰 图2 - 4 道路雨雪结冰 从结冰原理上分析【26 l ，当水的温度降到o 。c 以下便成为过冷水。过冷水处于 亚稳态，当大于临界尺寸的冰核形成时，该状态便解除逐步形成冰。冰核有两种 方式形成，分别是水体内的均匀成核与固液相变界面上的非均匀成核。水中首先 出现大于临界尺寸的冰核，冰核在逐渐长大形成了冰。冰核的形成是遵循一定概 率分布的随机行为。其实是否会发生结冰现象受过冷度的大小和许多因素决定。 过冷水的流动状态，结冰基体表面几何特征、物理特性、表面尺寸以及外加的作 用力的大小、方向都会直接或间接的影响冰的形成。 结晶必须要有过冷。结晶过程一般都有两种不同的能量变化：一是晶体产生 致使体系本身的能量降低，二是体系出现了新的界面而使自由能提高。因此，结 晶也需要两部分的冷量，一是液体变为晶体所需要的能差，二是体系能量降低与 新界面产生的自由能升高的冷量差。只有冷量同时满足两个条件之和才能符合物 质自高能态向低能态变化的规律，并出现结冰现象。 水逐步吸收冷量变成冰需要以下几个步骤：( 1 ) 水的温度从常温逐步降低， 到接近0 的过程中，形成了许多形状不同，大小各异的小晶胚，这些小晶胚一 般都极不稳定。( 2 ) 水温降到o 。c 以下后，尺寸相对比较大、比较稳定的小晶胚 就变成了晶核。( 3 ) 随着过冷度的继续增大，晶核以枝晶成长的方式渐渐成长出 棱角。由于棱角处的散热条件优于其他部位而优先成长，最易把晶间填满，过冷 度越大，枝晶成长的特点便越显著。( 4 ) 晶核越来越多，成长到一定阶段，互相 接触逐步形成了冰层。 以上是冰的形成机理，我国北方绝大数地区的冬季都会达到结冰条件，实际 运行中，也经常看到列车车底结冰，车项覆冰的现象。 天津大学硕士学位论文第二章除冰方法及模拟设计 2 2 除冰方法 本文是从现有的除冰方法出发进一步选定适合动车的除冰方法，因此对已有 除冰方法的分析是很有必要的。国内外的除冰方法不少于3 0 种，按照除冰原理 的不同，大体可分为热力除冰方法、机械除冰方法、自然脱落法、其他方法等几 类【2 7 1 。 2 2 1 热力除冰方法 热力融冰法就是利用冰吸收热量使其融化的方法。表2 1 中罗列了目前较为 常见的8 种热力除冰方法。由表中可见，热力除冰方法较多应用于电力线路除冰， 这是因为在电力线路除冰中，可以靠提高线路中通过的电流产生焦耳效应来加热 导线【2 引，这样相对容易实现除冰。热气、热水及覆防冰液是在机场及飞机上常用 的除冰方法，可以借鉴用来快速的机车除冰。理论上，表中所列的电磁波微波激 光器可以用于铁路除冰，但是其造价昂贵，且提高除冰效率需要耗费大量的能量， 实际使用中存在着一些困难。热吸收器除冰是专门应对太阳能板的积冰情况。 表2 1 热力除冰方法 2 2 2 机械除冰方法 机械除冰方法就是利用各种机械方法，使冰层受力脱落。目前比较常用的机 械方法有8 种。其中“a d h o c ”法、滑轮铲刮法和强力振动法等主要针对导线除冰。 “a d h o c ”法是一种灵活的根据现场不同条件处理的方法。滑轮铲刮法是指地面人 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 员拉动连接线路的滑轮，滑轮在线路上滑动便可以除去附着在导线上的冰雪。震 动法需要外部动力源提供动力，并且震动可能会使导线的使用寿命降低所以是不 可取的。因此，实际上，在众多机械除冰法中，只有滑轮法能真正应用于导线除 冰。这些方法虽然是针对输电线设计，但是稍作改进便可应用于机车除冰，如根 据现场情况随时变化的“a d h o c ”方法和铲刮等方法都为机车除冰提供思路。机 械除冰中为飞行航空器研制的技术有超声振动、电磁脉冲、气动脉冲。这些方法 目前在航天器中应用，如果能降低设置和运行成本，有望实现在机车除冰上应用。 形记合金除冰法是针对航空器除冰特别研制的，他利用的是合金的记忆功能特 点。电磁应力线除冰法仍处于设想阶段。这些方法虽然应用不多，但是可以和其 他的除冰方法进行对比，分析改进后也许会应用越来越广泛，也是具有很大的研 究意义的。 表2 - 2 机械除冰方法 2 2 3 自然脱冰法 自然脱冰方法是指依靠自然的力量，无需人为影响或加入人工能量的脱冰方 法。自然风、地心引力、太阳光照能量、温度变化等都可能引发冰的自然脱落。 这种脱冰方法不以人的意愿决定，完全是自然力作用的结果。然而，自然脱冰方 法往往是耗能最低的，如果可以加快自然脱冰的速度，那么自然脱冰方法具有其 他除冰方法无法比拟的优越性。表2 3 列举了自然脱冰方法，其中，将机车车身 使用憎水性涂料可以有效减少冰的附着力，是一种防冰的有效手段。 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 表2 - 3 自然脱冰方法 2 2 4 其他除冰方法 表2 _ 4 包括4 种不常见的除冰技术 2 9 1 ，其中碰撞前颗粒冻结和碰撞前颗粒加 热是指过冷水在进一步吸收冷量直至结冰前就终止其结冰可能的方法。微波加热 雾滴技术是一种高耗能的除冰方法，除冰效率有待研究，但是从节能角度考虑， 他的实用性不高。研究结果证明，电晕放电对冰没有作用，无法作为除冰的方法。 直流技术可应用于输电线负极的除冰，应用范围受限【3 0 】。 表2 4 其他除冰方法 2 2 5 除冰技术能耗分析 工程应用不能只是考虑效果的好坏，投入过大，运行费用过高的方法在工程 中的实用价值是大打折扣的。因此，除冰方法的耗能情况必须作为考察除冰方法 的重要指标。前文已经可以看出，很多方法都可能应用于机车除冰，但是除冰速 度、除冰成本、能耗多少都要作为考虑因素。因此，本节列出了主要热方法和机 械方法耗能的比较，对除冰防冰技术措施中的冰完全融化所需要的热量进行对 比。表2 5 给出了完全融化并除掉3 m m 冰所需能量，以理论融冰3 m m 为比较基 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 础1 0 0 。 表2 - 5 除冰方法耗能比较 表2 5 中以除冰3 m r n 分析计算，对各种除冰方法的耗能情况进行分析，得 到数据2 7 1 。分析数据可知，热力除冰方法的能耗比机械方法高出很多倍，最少耗 能的机械方法可以达到每平方米几焦的水平，而热力方法需要每平米耗能 2 0 0 k j 。此外，表中数据还可以分析出，机械除冰方法的耗能水平相近，比热融 冰方法耗能普遍高3 0 倍以上。由此可见，对机械方法的继续研究还是很有价值 的。 2 3 模型设计 本文中实验和模拟的模型是以瑞典发明家托马斯一杰姆特( t h o m a sj e m t ) 先 生发明的除冰装置为基础n “，并结合中国除冰车问实际情况，地源热泵系统供热 方式等制定的。 其除冰的原理是将丙二醇溶液加热，然后经过低压装置喷射到列车底盘堆积 的冰层上面达到除冰的目的。用过的丙二醇溶液将会被自动收集起来，并且进行 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 相应净化处理，便于再次循环使用。由于融化的冰雪中含有部分残留废品，如重 金属和机油等，这些有害物质将会经由过滤装置收集，然后运往专门的地点进行 销毁处理，以免对环境造成污染。具体布置如下图2 5 所示心2 | 。 蓟遗并。n 图2 - 5 除冰装置结构示意图 表2 - 6 图中编号说明 如上图2 - 5 所示，由从上到下，从左到右的顺序介绍仪器设各连接状况，装 置设有保温储液箱1 ，保温储液箱1 内设有压力泵3 ，保温储液箱1 左侧接有电 加热装置4 。储液箱与电控系统5 相连。此外，电控系统5 还控制废液回收泵1 3 、 压力泵3 、红外位置感应电控箱8 、红外位置感应器9 。废液回收箱1 2 通过废液 回收泵1 3 、废液连通管1 7 与内废液收集槽1 0 、外废液收集槽1 1 连通，并有电 控系统5 集中控制。内废液收集槽l o 、外废液收集槽1 1 分别位于两条铁轨2 0 的内侧和外侧。内废液收集槽1 0 中间设有立式喷头1 4 正对机车底部，外废液收 集槽1 3 的外侧设有喷架6 。喷架6 位于车轨两侧，上面安装着高位除冰喷头1 5 和低位除冰喷头1 6 ，他们由导液管2 与储液箱l 中的压力泵3 相连接，同时受 电控系统5 的控制。此外，喷架外侧设有红外电控箱支杆7 ，其上设有红外位置 天津大学硕士学位论文 第二章除冰方法及模拟设计 传感电控箱8 、红外位置感应传感器9 ，他们由导线连接到电控系统，且受电控 系统统一控制，用于监测列车的位置。工作状态如图2 - 6 所示。 图2 - 6 除冰装置实物图 除冰装置的工作流程是：列车缓慢行驶过除冰装置上方，位置传感器检测到 列车位置后将信号传递到电子控制系统。电子控制系统打开电加热开关和输送 泵，将加热的工质输送到高位喷头，低位喷头和立式喷头，除冰工质开始清洗机 车。同时，废液回收系统打开，将冲洗机车后的废液过滤处理后再次导入储液箱。 当位置传感器检测到列车离开后，电控系统关闭输送泵，停止除冰过程。需要注 意的是，列车驶过除冰装置的速度可以根据当时结冰厚度自行调整。 本文就是按照以上模型为基础，以如图2 7 为喷头布置方式，简化后进行实 验和模拟的。 图2 7 一节车厢下喷头布置示意图 天津大学硕士学位论文第三章除冰系统实验设计及结果分析 第三章除冰系统实验设计及结果分析 从除冰介质的角度出发，主要有热风除冰、热水除冰以及使用其他热工质除 冰。本文分别采用热风、热水为除冰介质搭建实验台，分析除冰效率，同时为后 续的模拟提供对比的科学依据。由于热水和其他醇类工质均为流体形式，在除冰 过程的物理特性上类似，实验中不在重复设计其他醇类热工质的除冰方案，其他 醇类热工质除冰的效率将在模拟中进行分析。 3 1 除冰实验设计 3 1 1 热风除冰实验设计 热风除冰的实验设计如图3 1 所示，设计理念来自于实际机车除冰方法并加 以简化。实际机车除冰过程中往往采用斜侧吹风或自下向上出风方式，在实验中 如果采用向上出风的方式，融化的水滴落在电吹风中可能会损坏仪器。而采用向 下出风的方式，在冰融化过程中会在冰面形成一层水膜，水的蒸发吸收热量增加 热阻，使除冰效率降低，显然也是与实际工程不符的。鉴于只是为了考察不同工 质类型的除冰效率，本文采用侧面吹风，取局部为实验研究区域的方式。 图3 1 热风除冰实验设计图 天津大学硕士学位论文第三章除冰系统实验设计及结果分析 实际实验台效果如图3 2 。 图3 - 2 热风除冰实验台 图3 - 2 所示，风机所直接吹拂的区域为实验研究区域，左侧是可调吹风温度 和风速的电吹风，右侧是竖直悬挂的2 5 m m 厚的冰块。系统通过固定在冰块前后 的1 8 个热电偶与上方的数据采集器连接得到需要的数据。右侧的黄色装置为 f l u k e 万用表，用于实时观测电吹风出口的温度变化。 图3 - 3 热电偶分布图 热电偶分布如图3 - 3 所示，用以监测实验的开始结束状态。实验中将一块上 边钉有9 个均匀分布铁钉的铁板置于一方形容器中，有铁钉一面朝上，加入2 5 m m 天津大学硕士学位论文 第三章除冰系统实验设计及结果分析 水后放入冰箱。由于水结冰会膨胀，为了精确的测定我们采集的数据是在冰厚 2 5 r a m 处开始，我们在冻冰之前会在各个铁钉底端和据底端2 5 m m 处各固定一组 热电偶。当2 5 m m 处温度变成正数时开始计时，当底部热电偶读出正数时认为融 冰结束。 热风来源为电吹风，风速可分为三个档，温度也可控制三个档，用以分析不 同温度、风速下的除冰效率，同时为后续的模拟做参考。 3 1 2 热水除冰实验设计 图3 - 4 实验运行图 热水实验台的设计思路与热风大体相似。由于实验是低压喷水，受流体的特 性和实验装置的限制，不可能实现侧面冲击。因此采用自上向下喷淋的设计。设 计图如下3 5 所示： l 一一 f u 刚 图3 5 热水除冰实验设计图 1 6 - 天津大学硕士学位论文 第三章除冰系统实验设计及结果分析 图示中，喷淋点距冰面为3 0 0 m m ，冰块厚度为2 5 m m 。水箱中的水是由恒温 水浴提供的可控制温度的水。由于除冰速度较快，水箱比较小，水流速也较快， 可近似认为水为恒温。水流出口为直径为1 4 m m 的圆形喷孑l ，通过称重法可获 得待需求位置的流量，再计算出板面上7 0 m m 处的水流速度( 此速度为模拟的边 界条件) ，研究区域为水流可直击的区域。冰块底部放置温度检测装置，待温度 明显升高即证明研究区域的冰已融化并记录融化时间。 图3 - 6 热水除冰实验台 恒温水浴可以控制水温，控制三通可以控制流量以达到控制流速。因此，实 验可以对比不同温度、流速下的除冰效率，并且为后续模拟工作提供科学依据。 3 2 实验结果及分析 本节首先对记录数据进行处理，然后分析和对比了不同工质、不同工况下的 除冰效率问题。由于不同工质类型间很难确定共同参数作为对比的标准，所以工 质间的对比主要是定性的分析。 3 2 1 热风除冰实验结果 本实验主要关注除冰的效率，测量系统主要由电吹) 风f h 6 2 1 8 、数字温度巡回 检测仪p r o c o s v i i 型、铜一康铜热电偶、f l u k e 万用表、热线风速仪、自制固定 冰块的铁板组成。 铜一康铜热电偶是采用盐浴法自行焊制，共制作2 0 组。标定后连接到温度巡 天津大学硕士学位论文第三章除冰系统实验设计及结果分析 回检测仪外部端子箱。由于实验过程中需测量结冰状态温度，所以标定过程中需 采用带有制冷功能的恒温水浴。本文使用t h z s - 0 4 型制冷恒温水浴，倒入水和乙 二醇( 防止标定过程结冰) 进行标定。标定区间大概是5 。c 一次，从5 0 。c 标定至 一1 1 7 ，所得数据导入o r i g i n 8 0 中进行处理并按照式3 1 进行拟合。 t = a + b t ( 3 1 ) 式中，t 所测量的真实温度值，。 t 温度巡回检测仪显示的温度值，。 a 、b 系数。 = 磊磊i 二二j 磊= j i = 乏i _ = i 了_ i i 彖训1 i 录列i l系列l ：系列l ：系列h系州1 i系刮l6 一毛刊1 7 系列18系列19 哇璧_ 一系列一系列1 一t u0 u ”堂。裔_ 4 0t ) u 鬯豢 ，_ ，r 。 jo 潮 一 油_ _ _ _ 算 赵 r f 3 0 羁 厶j | l _ l - 一霉- ， 之，一 = a i l d _ 曩” 孽，i 2 0 雾 1 0 u i 冒薯女一， 一 r n 一5 u 5152 53 54 55 5u 实际温度 图3 7 热电偶标定结果 实验中测量的数据包括：铁板表面均匀分布1 0 个点的温度；竖立在铁板上面 2 5 m m 处的9 个铁钉点的温度：吹风机出口和距板面上7 0 m m 处的温度；出风口和 距板面7 0 m m 处的风速。温度数据由数字巡回检测仪记录并打印在热敏记录纸上。 风速由热线风速仪测量得出。 根据电吹风的实际风速档位和加热档位的情况，可分为以下5 个工况。之所 以选定距板面上7 0 m m 处的参数，主要是为了模拟需要，下文中详解，所分五种 工况如表3 1 表3 - 1 实验工况 天津大学硕士学位论文第三章除冰系统实验设计及结果分析 实验数据处理过程以工况1 中一组对应的热电偶为例。如表3 - 2 所示，电偶9 为贴近铁板表面的热电偶，电偶1 0 是在他正上方2 5 m m 处的热电偶。数据结果中 可见：开始时刻，电偶1 0 的温度为o 以下，说明此时在板面上2 5 m m 处还是冰层， 在时问7 m i n 后，热电偶1 0 出现正数温度，说明此时板面上2 5 m m 处已经处于冰层 表面状态，开始计时。在5 0 分钟后，处于底面的热电偶9 出现正值，说明此时接 近板面的冰层已经开始融化在6 0 分钟时刻，温度达到1 0 以上，冰层全部融化完 毕。因此冰层整个融化时间应该在4 8 m i n 左右。 表3 2 热电偶测量温度 采用同样的处理手段可以得出其他各工况除去2 5 m m 厚度的冰层所需时间， 如表3 3 所示。 表3 - 3 实验结果 3 2 2 热水除冰实验结果 热水实验系统包括：恒温水浴、温度计、三通、控制阀门、水箱、f l u k e 万 用表、标定后的热电偶、秒表、量筒。实验过程中，首先将标定好的熟电偶连接 f l u k e 万用表( 能快速的反应出温度的变化) 并安装在底板上。由恒温水浴控制 出水温度，由控制阀门控制出水的速度，达到预定温度和流速后，放上2 5 m m 的 冰块，用秒表记录下冰融化的时间。 天津大学硕士学位论文 第三章除冰系统实验设计及结果分析 间。 采用称重法测量流速的过程按如下3 2 公式计算： 1 ，= v ( a t 1 ( 3 2 ) 其中v 为流速，v 为t 时间内的流体体积，a 为出口截面的面积，t 为称重时 表3 4 不同水温和流速下除2 5 m m 冰所需时间( 时间单位：s ) 3 2 3 实验分析 实验中可以看出，随着热工质温度和速度的提升，除冰时间都可以明显的缩 短。实验的目的主要是为了验证模拟结果的科学性和准确性，具体量化对比还需 由模拟中得到。此外，虽然以空气为工质和以水为工质的实验中没有采用统一的 标准( 实验设备本身的限制) ，但也可以看出两者在除冰速率上不处在同一个数 量级，以流体为工质构除冰方式效率大大高于气体工质。 天津大学硕士学位论文 第四章除冰过程的仿真模拟分析 第四章除冰过程的仿真模拟分析 本章主要工作是为模拟选定计算方法和工具，确定数学模型及各种方程并分 析得出模拟的物理模型3 2 1 ，给出模拟的定解条件以确定模拟的边界条件。 4 1 计算方法 本文通过数值模拟方法研究融冰问题，需选定计算方法、计算工具。本质上 讲，融冰过程就是利用人为手段加快相变的过程。本节从研究相变的特点出发， 分析相变过程中的导热问题，然后依据目前的研究手段和机车融冰的实际情况选 定合适的数值求解方法，最后分析各计算软件的特点，选择合适的求解工具。 4 1 1 相变导热问题 融冰过程实际就是一个伴随着相变的导热问题，具体讲应该是伴随有潜热的 移动界面导热问题。计算机技术不够发达的早期，对于相变的研究工作开展比较 困难，研究也比较少。二十世纪后期，计算机硬件软件飞速的发展，计算机计算 速度和求解能力提升都为模拟流动、传热、相变等问题提供了可能，人们对融冰 的研究逐步加深。之后，很多优秀的模型应用于对融冰的模拟过程中，并开展于 工程领域。 固液相变问题有一个特征，即在求解域中固液界面随时间变化而变化。纯 物质的相变特点比较明确，他在融化温度下有比较明确的融化界面；含有其他物 质的非纯物质则不同，一般没有明确的相变移动界面，取而代之的是一个模糊的 两相区间。 实际上，相变是一个非常复杂的过程。相变会引起温度变化而产生自然对流。 相变后总会存在体积的变化，体积的变化会影响换热面积等因素，也会影响热量 的传导。传热系数会随着相变界面处产生吸热和放热而改变，传热面的形状难以 确定，他总是受到液相区流场和固相区流场的双重影响。实际上各影响因素之间 又相互作用、相互制约。 目前，对相变导热问题的研究主要从下面几个方面着手。 ( 1 ) 相变导热问题研究的网格划分方法 目前，数值模拟的网络划分方法主要有固定网格划分方法和动网格划分方 天津大学硕士学位论文第四章除冰过程的仿真模拟分析 法。 固定网格法是一种相对简单的方法，他直接从温度场中得到正在相变的界 面。目前他的应用最广泛，可他的不足之处在于误差可能会稍大。动网格技术， 又叫追踪界面网格技术，是根据温度场和相变界面的位置的变化而追踪界面。使 用动网格技术的主要问题是如何解决液相变为固相速度变为零的问题。国外学者 想出了很多巧妙的方法，m o r g a n 判定是利用潜热值来计算，他的方法是计算网 格的平均潜热。首先确定当整个区间都为液相时的潜热值，然后确定整个区间都 为固相时的潜热值，他默认当平均潜热值介于两者之间时，速度为零。 ( 2 ) 相变导热问题的模型 相变导热问题的数学模型分为单区域模型和多区域模型。 单区域模型指模型同时应用于固相区、液相区和两相区，只需应用一套固定 的网格和一组边界条件。焓法、显热容法和不动界面法都是目前数值计算中较好 的单区域模型。 多区域模型是指针对不同的区域( 固相区、液相区、固液共存相变区) 采用 不同的方程，然后通过边界条件把这些区域联系起来，解出相应的数值解，得到 最终结果。这种方法比单区域模型具有更好的收敛性，但也更加复杂。 ( 3 ) 相变导热问题的具体方法 相变的导热问题的区间为两个，一个是固相区，一个是液相区。两部分被一 个无形的界面分开，这两个部分都有各自的温度场、物性参数、导热方程、边界 条件、初始条件。温度场在固相区、液相区变化时，物质有吸热放热现象( 如图 4 1 ) 。 i o 图4 - 1 纯物质相变模型 固定步长法中的网络节点、时间步长都是固定的。他有一些弊端：在一个计 天津大学硕士学位论文第四章除冰过程的仿真模拟分析 算时间内，液态区和固态区相交的界面上并不一定是网格节点所在的位置。即使 相交界面恰巧就是网络节点的位置，或是人为的设定相交区域在网络节点上，但 是相变的界面还是移动的，总有一个时刻，网络节点无法包括相交区域，这样就 需要进行插值计算，大大提高了计算量和计算难度。为了改进这一方法，专家们 使用固定网格改变时间步长的方法，使得每改变一个时间步长都能使相变区域恰 好落在网络节点上，当然，这样的时间步长需要迭代计算才能保障。 “焓法模型”的思想是在整个区间内使用统一的方程。“焓法模型”有两个 待求函数，分别是焓和温度。对于焓的求解比较容易处理，因为焓随时间的变化 是一个连续的函数，求解过程中并不需要追踪界面也不需要考虑固相、液相的区 域，可以统一处理。根据焓分布可以得到温度场，温度分布就计算出来了，这样 计算过程被大大简化了。 根据以上分析，可以建立融冰模型的假设条件如下： 1 ) 水被认为是不含任何杂质且相变过程中也不会掺入任何杂质的不可压缩、 各向同性的纯物质流体。 2 ) 相变区域的温差范围很小，相变区域最多只有一个。 3 ) 固相区，即冰的部分被认为是纯物质，且他的各种物性参数是不变化的 并遵循傅立叶定律。 4 ) 液相中的密度随温度的变化而变化，固液两相间要有密度差。 5 ) 固液相变区的潜热不是温度的函数，与温度无关。 6 ) 融化过程有热量的变化，但是没有温度的变化。换言之，是在等温条件 的理想状态下进行的，且相变区是为了计算而假设的概念，并没有实际的主体。 4 1 2 数值求解方法 目前，传热问题的求解方法主要有两种，一种是分析法，一种是数值求法。 由于能量守恒条件的非线性，融冰问题肯定也是一个非线性的问题，液固界面随 时间变化而变化，无法通过简单的求解得到。分析法对这样的问题几乎无法处理， 仅能应对少数简单的情况。数值求解方法可以说是解决相变问题的唯一方法，国 内外学者研究此类问题基本都采用这种方法。从计算方法的角度说，融冰过程数 值模拟方法主要有：有限差分法、有限容积法、有限分析法、有限元法等等p 3 i 。 ( 1 ) 有限差分法：将研究区域用平行于坐标轴的网络线划分，交点集作为 研究对象，列出并求解方程组，得到的交点处的参数可代表区域的场分布。 ( 2 ) 有限容积法：又叫控制体积法，他是将微分方程积分得到控制方程组， 所以无论网格质量如何，他都能满足积分守恒条件，可以说他是有限元法和有限 差分法的中间产物，物理