基于CFD模擬的管片蒸養窯熱油管優化布置研究

張建

摘要：為保證混凝土管片的強度與質量，掌握混凝土管片在蒸養過程中蒸養窯的蒸汽溫度場，采用流體力學軟件對混凝土蒸養窯進行溫度場模擬。基于能量方程式的理論原理和標準模型，采用CFD模擬方法，研究在不同熱油管布置方案下，蒸養窯內部各水平高度的蒸汽溫度場分布情況。案例分析表明，調整熱油管布置方式能使蒸養窯溫度場分解更加科學合理。

Abstract： In order to ensure the strength and quality of concrete tube slices， and master the steam temperature field of the autotrophic kiln during the autotrophic process of concrete tube slices， hydrodynamics software is used to simulate the temperature field of the autotrophic kiln. Based on the theoretical principle of energy equation and standard model， CFD simulation method is adopted to study the distribution of steam temperature field at different levels and heights inside the steam curing kiln under different arrangement schemes of hot tubing. The case study shows that the temperature field decomposition of steam kiln can be more scientific and reasonable by adjusting the arrangement of hot tubing.

關鍵詞：盾構管片;混凝土蒸養;CFD模擬;溫度場;熱油管

Key words： tunnel segment;concrete steaming;CFD numerical simulation;temperature field;heat oil pipeline

中圖分類號：TU528 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0142-03

0 ?引言

隨著軌道交通的迅速發展，盾構法施工得以大量運用。但是，盾構法施工依賴于高強度高質量的混凝土管片。為保證管片蒸養中達到預期強度，需要嚴格控制蒸養溫度[1]。

目前，國內外學者致力于研究混凝土蒸養過程中水化熱反應對混凝土強度的影響，張雷順等[2]結合傳感器和光學射線研究了蒸養過程中水化物和微結構反應，發現蒸養溫度的改變對混凝土表層孔結構影響顯著;徐子芳等[3]采用基本力學和導熱系數測定試驗分析了水化物的特性，結果表明蒸養溫度增加可提高粉煤灰水泥強度;齊莉莉等[4]研究發現恒溫養護溫度與養護時間對地鐵管片高耐久混凝土的抗滲性能影響顯著。

上述研究肯定了蒸養溫度是影響混凝土強度的重要因素，但缺乏對蒸養溫度控制的研究。因此，建立混凝土管片蒸養窯空間結構模型，布置虛擬熱油管網路，運用能量方程式，進行CFD的溫度場模擬，使得混凝土管片蒸養窯溫度空間分布科學合理，優化蒸養窯熱油管路布置，對混凝土管片蒸養窯的溫度控制與節能減排具有重要意義。

1 ?蒸養窯溫度場案例模型建立

養護溫度對混凝土的早期性能的發展速度有很大的影響，為分析蒸養窯內部蒸汽溫度場分布情況，采用流體力學仿真軟件[5]對管片廠混凝土蒸養窯溫度場數值模擬。

以中國水利水電第七工程局有限公司新津管片廠蒸養窯為案例，使用ANSYS系列軟件構建蒸養窯模型，并將蒸養窯內部使用正方體為單元有限元化，選用Fluent軟件對蒸養窯進行模擬，其運算基本原理為質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律[6]，溫度場與流場計算是相關聯的，由于在本研究中單獨討論流場問題時，熱交換能量損耗極小，故只需將動量方程與連續性方程聯立便可獲得流場分布。

對于單相流模型，內部湍流強度大，雷諾系數較高，因此選用標準k-？著模型即可反應蒸養窯內部溫度流場又可以提高迭速度。

本次模擬選取了兩種不同方式布置蒸養窯熱油管，見圖1。其中布置方式A（見圖1（A））為新津管片廠設計布置方式，升溫區和降溫區布置4根直徑0.4米的熱油管，恒溫區布置8根直徑0.4米的熱油管;布置方式B（見圖1（B））為改進后的布置方式，升溫區和降溫區布置5根直徑0.4米的熱油管，恒溫區布置12根直徑0.4米的熱油管。各區域熱油管溫度設置見表1。

2 ?溫度場模擬結果分析

根據新津管片廠蒸養窯設計尺寸，結合兩種布置方式，在同種熱源溫度下使用MESH構造蒸養窯三維模型，并進行有限元網格劃分，然后將三維模型導入Fluent，選用k-？著湍流模型及能量守恒方程[8]。相同溫度不同布置方式下，模擬結果為：

①布置方式A模擬結果圖。

②布置方式B模擬結果圖。（圖3）

③恒溫區不同高度溫度曲線圖。

如圖2、圖3所示，在Z=1高度布置方式B的溫度場承橢圓形，溫度由區域中心向四周遞減擴散;在Z=2高度，布置方式A溫度場圖形發生明顯變化，而布置方式B的溫度場圖形仍是承橢圓型。如圖4所示，在相同熱源溫度布置下的恒溫區，布置方案B可以達到更高的溫度。

為達到溫度控制及節能的目的，優化布置方案B，使兩種布置方案能夠達到相近溫度，優化后溫度布置如表2所示。

如圖5所示，布置方案B經過優化后，各區域熱源溫度減少70℃，模擬溫度曲線明顯接近于布置方案A的原始溫度，達到預期效果。

3 ?結語

盾構法施工蒸養制度對混凝土的蒸養溫度控制要求極高，為精確控制蒸養窯內部蒸汽溫度，剖析混凝土蒸養的溫度要求，通過改變蒸養窯熱油管路布置方式，以期尋求最優管路布置方式。

案例分析表明，在熱源溫度相同的情況下改進原設計方案，通過縮短熱油管間距、增加熱油管數量，可以使各溫區的蒸汽溫度達到更高，且恒溫區的溫度場更加飽和。

混凝土蒸養需要精確控制各種環境因素，結合熱油管路布置優化方案，研究蒸養窯內濕度控制方案是后續工作的重點。

參考文獻：

[1]謝友均，王猛，馬昆林，等.不同養護溫度條件下蒸養混凝土的沖擊力學特性[J].建筑材料學報：1-16.

[2]張雷順，張敏，葛巍，等.考慮溫度效應的PCCP蒸養階段溫度場分析[J].建筑材料學報，2016，19（05）：855-859.

[3]徐子芳，張明旭，朱金波.高溫蒸養對粉煤灰水泥基材料水化產物結構的影響[J].材料熱處理學報，2011，32（08）：28-31.

[4]齊莉莉，李雪梅.蒸養制度對地鐵管片混凝土抗滲性能的影響[J].低溫建筑技術，2018，40（07）：16-18.

[5]崔溦，宋慧芳.自密實混凝土流動性及澆筑過程的CFD數值模擬[J].混凝土，2017（08）：111-115.

[6]王發龍，劉振鴻，朱貽鳴，等.基于CFD模擬改良型厭氧折流板反應器（mABR）水力特性[J].環境工程學報：1-11.

[7]王星宇，楊立，許恩賜.穩定溫度分層流的數值模擬與實驗研究[J].科學技術與工程，2015，15（28）：174-178.

[8]夏萍，顏麗華，褚護生，等.基于FLUENT的PTC加熱器工藝參數優化及其數值模擬[J].應用科技，2017，44（03）：61-66.