機場道路碳纖維電熱法融雪化冰試驗與數值模擬

黃彩萍， 余 浩， 譚 燕， 游文峰

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

冬季機場道路受天氣影響經常會積雪結冰，導致機場運營受阻。由于機場道路面積較大，為加快路面除雪融冰的速度常采用大型除雪機械。

關于道路路面融雪化冰方面的研究有很多，羅新欣等[1～3]研究在橋面板內部鋪設發熱電纜，探究了橋面板融雪化冰的效果和可行性以及影響橋面板融雪化冰效果的因素。符養斌等[4]對比分析了碳纖維電纜加熱技術與普通除雪技術的融雪效果以及經濟性。楊暢等[5～7]利用有限元分析的方法建立數值模型，研究了橋面內置碳纖維發熱線的鋪設間距、埋深、電流、溫度和風速等因素與橋面溫升速率和融雪化冰效率之間的關系。袁玉卿等[8～10]研究了影響瀝青混凝土路面內置碳纖維發熱線融雪效率的因素。李賞[11]提出路面預埋電阻網進行融雪化冰的設想，并結合有限元分析和試驗結果對該方法進行驗證，探究了影響路面預埋電阻網融雪化冰速率的因素。張楚杰等[12]通過構建ANSYS熱分析模型研究了機場混凝土道板內置單層碳纖維發熱電纜融雪化冰的效果以及發熱電纜的布置間距、埋深等因素與機場混凝土道板融雪化冰效果之間的規律。Wan等[13]提出了鋼渣再利用技術，利用鋼渣設計了具有融雪化冰功效的路面超薄摩擦層，提高了路面的感應加熱性能以及融雪化冰效率。Mohammed等[14]在環境試驗箱內將三種不同形式的碳纖維埋入混凝土試件中，對其加熱性能進行了測試，研究了熱功率密度、環境溫度、加熱板安裝深度、混凝土濕度、碳纖維形態等參數對混凝土試塊溫度變化的影響。Han等[15]提出了一種三元乙丙橡膠導電復合材料，并利用電熱試驗分析了該復合材料的發熱和傳熱效果。Sun等[16]進行了循環三點彎曲試驗，對感應加熱和微波加熱自愈合瀝青混合料的融雪化冰性能進行了研究。

在道路內設置碳纖維發熱電纜融冰雪是一種新型的主動融雪化冰技術，其工作原理是在道路內部鋪設碳纖維發熱電纜，通過發熱電纜將電能轉換為熱能，再通過道路內部的熱傳導效應將熱能傳遞到路表面，使路面溫度突破0 ℃從而實現融化路面冰雪的目的。國內外學者針對碳纖維發熱線在融雪化冰方面的研究主要集中在路面、橋面，關于機場道路融雪化冰方面的研究較少，并且僅限于機場道路內置單層碳纖維發熱線上的融雪化冰性能研究，未涉及機場道路內設置多層碳纖維發熱線的發熱性能研究。本文為研究機場道路內置單層和雙層碳纖維發熱線的熱傳導性能的差異及優缺點，在恒溫試驗室內設計了機場道路內置雙層碳纖維發熱線模型，并進行熱傳導試驗。利用ANSYS有限元分析軟件建立機場道路內置單、雙層碳纖維發熱線數值計算模型，將數值計算結果與試驗結果進行對比分析。從試驗和數值計算兩個方面進行對比分析，得出機場道路內置單、雙層碳纖維發熱線各自的溫升效果和優缺點。

1 熱傳導與融冰試驗

1.1 試驗模型設計

按MH5004-2009《民用機場水泥混凝土道面設計規范》[17]和MH5006-2002《民用機場飛行區水泥混凝土道面面層施工技術規范》[18]的規定，以飛行區(等級4F)為標準，機場道路的結構層為：土基、墊層、基層和面層；本文根據上述規定設計了機場道路模型，土基采用壓實土，墊層采用中砂，基層和面層均采用水泥混凝土澆筑而成，其中面層水泥混凝土中添加防凍劑，抗凍等級達到F300，如圖1，2所示。

圖1 機場道路試驗模型

圖2 結構示意/mm

機場道路內置雙層碳纖維發熱線熱傳導試驗中采用24 K規格的PFA型碳纖維發熱線，發熱線性能參數見表1。碳纖維發熱線如圖3所示，鋪設方式見圖4。沿試件高度方向布置兩層碳纖維發熱線，相鄰兩排發熱線的布置間距為150 mm，第一層發熱線距試件上表面50 mm，第二層距試件上表面150 mm。

表1 24 K碳纖維發熱線的性能

圖3 PFA碳纖維發熱線

圖4 碳纖維發熱線及溫度測點布置

1.2 試驗裝置

為測試試件內碳纖維發熱線的傳熱性能，實時監測試件上表面的溫度變化情況，在試件上表面布置三條測溫線，每條測溫線包含8個溫度測點，如圖4所示。為保障試驗的精確性，避免其它因素對試驗結果產生影響，建立封閉的機場道路熱傳導試驗系統，如圖5所示，其中：風扇和風速儀用來控制經過試件上表面風速的大小；環境溫度控制終端調節試驗室內的環境溫度，為熱傳導試驗提供穩定的試驗溫度；調壓器用于控制發熱電纜的輸入電壓；數據采集和處理模塊收集溫度傳感器提供的信息并進行處理，然后通過通訊線將溫度數據傳輸至電腦。

圖5 試驗裝置示意

1.3 熱傳導試驗過程及結果分析

現進行機場道路熱傳導試驗，在整個加熱過程中每過10 min記錄一次各測點的溫度數據，直至加熱結束。

整個試驗內容分為三個步驟：

(1)調節室溫，試驗開始前通過制冷機對恒溫試驗室進行3 h的降溫處理，使室內溫度達到-5 ℃；

(2)調節風速，通過調整風扇的風速和位置使得試件上表面的風速達到2.5 m/s，在整個試驗過程中保持不變；

(3)加熱試件，通過調壓器控制和穩定發熱電纜的輸入電壓，使其保持在220 V，給試件加熱5 h，在加熱過程中保持室內溫度不變。

圖6 測線平均溫度變化趨勢

圖7 A～H組測點最高溫度平均值變化趨勢

表2 各組測線溫升數據

由圖6，7和表2可以看出：

(1)在加熱過程中1號和3號測線的溫度變化較為接近，并且在各個階段都低于2號測線的實測溫度；

(2)2號測線突破冰點的時間比1，3號測線快20 min左右，且在整個溫升試驗過程中溫升速率均高于1，3號測線；

(3)從各組測線的平均溫度變化趨勢中可以看出，達到冰點前測線的溫升速率明顯高于達到冰點后的溫升速率；

(4)A～E組和H～E組測點的最高溫度平均值(A為A1，A2，A3在加熱過程中最高溫度的平均值，以下依次類推)均呈線型上升趨勢，在E點時溫度達到最高，測點組的最高平均溫度與距離試件中心的遠近成正比關系。

通過溫升試驗的結果可以看出，加熱5 h后越靠近試件中心區域溫度越高，熱量主要集中在中心區域，試件4個側面雖鋪設保溫層，但并不能達到完全隔熱的效果，仍然有少量熱量損失。加熱后模型上表面的最高平均溫度可以達到4.4 ℃左右，表面的平均溫升速率達到2.292 ℃/h，試驗結果表明機場道路內置雙層碳纖維發熱線具有良好的傳熱性能，完全能夠達到融化路面冰雪的溫度要求。

1.4 內置單、雙層碳纖維發熱線熱傳導性能對比

文獻[12]進行了機場道路內置單層碳纖維發熱線的加熱試驗，其碳纖維發熱線距離試件上表面50 mm，為研究機場道路內置單、雙層碳纖維發熱線的傳熱性能和優缺點，現將其試驗結果與本文試驗進行對比分析。

圖8 模型表面平均溫度變化趨勢

表3中的平均溫升速率表示在整個加熱過程中模型表面平均每小時的溫度變化量，即溫度變化量和加熱時長的比值。

表3 熱傳導試驗條件及溫升速率

由圖8、表3可以看出，機場道路內置單層碳纖維發熱線的熱傳導試驗初始溫度較高為-1 ℃，加熱75 min左右就已經突破冰點，突破冰點前的溫升速率為0.013 ℃/min，經過5 h加熱后，試件表面的平均溫度持續上升，最后穩定在1.2 ℃左右，突破冰點后的溫升速率為0.005 ℃/min，平均溫升速率為0.021 ℃/min；雙層試驗的初始溫度較低為-5 ℃，加熱180 min后試件表面溫度才突破冰點，突破冰點前的溫升速率為0.036 ℃/min，經過5 h加熱后，試件表面的平均溫度持續上升最后穩定在4.4 ℃左右，突破冰點后的溫升速率為0.042 ℃/min，平均溫升速率為0.031 ℃/min。

通過分析可以得出：

(1)機場道路內置雙層碳纖維發熱線的溫升速率要高于單層，但未能達到機場道路內置單層溫升速率的2倍，為單層溫升速率的1.47倍，可見在機場道路內置雙層碳纖維發熱線中第二層發熱線產生的部分熱量向試件下部傳遞，部分熱量沿試件四周與周邊環境進行熱交換，說明機場道路內增加碳纖維發熱線的層數，熱損失也隨之增加；

(2)環境溫度較高時，機場道路采用內置單層碳纖維發熱線的布置方法能夠使路面溫度達到冰點并且節約電能，可以達到融化機場道路冰雪的溫度要求。但環境溫度較低或追求更快的融雪化冰效果時，內置單層碳纖維發熱線則難以達到預期的要求。

(3)環境溫度較低時，機場道路采用內置雙層碳纖維發熱線的布置方法，經過較長時間加熱后可使路面溫度達到4.4 ℃，遠高于內置單層碳纖維發熱線加熱后路面溫度，可以實現低溫狀況下路面高效融雪化冰的效果，但是耗能較高。

1.5 機場道路內置雙層碳纖維發熱線融冰試驗

為研究機場道路內置雙層碳纖維發熱線模型的實際融冰效果，在恒溫試驗室內，進行機場道路內置雙層碳纖維發熱線模型的融冰試驗，研究模型在荷載作用下表面突破冰點的時間、溫升速率以及冰層完全融化所需的時間。

整個試驗步驟如下：

(1)調節室溫，試驗開始前通過制冷機對恒溫試驗室進行3 h的降溫處理，使室內溫度達到-5 ℃。

(2)調節風速，通過調整風扇的風速和位置使試件上表面的風速達到2.5 m/s，在整個試驗過程中保持不變。

(3)施加荷載，利用制冰機制作碎冰，并將碎冰鋪設于試件表面，冰層厚度為10 mm。

(4)加熱試件，通過調壓器控制和穩定發熱電纜的輸入電壓，使其保持在220 V，給試件持續通電加熱6 h，加熱過程中保持室內溫度不變。

試件經過6 h加熱處理后，各組測線的溫度變化趨勢如圖9所示，路面的平均溫度變化趨勢如圖10所示，可以看出在整個融冰試驗過程中：

圖9 測線平均溫度變化曲線

圖10 路面平均溫度變化曲線

(1)2號測線的溫度在各個時間段要高于1，3號測線的溫度，1號測線和3號測線溫升曲線相吻合；

(2)2號測線的最高溫度為1.61 ℃，高于1，3號測線，而1，3號測線的最高溫度分別為1.28，1.32 ℃，僅相差0.04 ℃；

(3)2號測線突破冰點的時間更早為240 min，而1，3號測線突破冰點相同為270 min；

(4)2號測線的平均溫升速率為0.021 ℃/min，1號測線的平均溫升速率為0.017 ℃/min，3號測線的平均溫升速率為0.018 ℃/min，1，3號的平均溫升速率較為接近但都低于2號測線；

(5)路面的最高平均溫度達到1.41 ℃，平均溫升速率為0.019 ℃/min，突破冰點前的溫升速率要高于突破冰點后的溫升速率。

根據分析可以看出，在加熱過程中試件中間區域熱量比較多，區域內的溫升速率以及溫度較高，四周熱損失較大，需要進一步優化試件四周的隔熱處理，減少熱損失。通過對融化試驗中試件表面冰雪融化狀況的觀察發現，試件加熱240 min后試件四周就開始出現水滴，試件表面冰層開始融化，320 min左右試件表面的冰層已經全部融化，此時試件中心區域僅存在少量水漬，四周水漬較多，機場道路內置雙層碳纖維發熱線具有良好的融冰效果。

2 數值模擬

2.1 有限元建模

以下采用ANSYS有限元分析軟件，分別建立二維機場道路內置單、雙層碳纖維發熱線數值模型，模擬試件加熱過程中斷面的溫度場變化情況，數值模型的結構層以及尺寸均與上述試驗中的試件一致。

建模方法如下：

(1)選用瞬態熱分析模塊進行模擬。碳纖維發熱線產生的熱量以熱傳導、熱輻射、熱對流三種方式在試件中傳遞熱量，其中主要以熱傳導的方式在試件內部傳遞熱量，因此在模擬計算中主要考慮熱傳導這種方式，材料熱力學參數見表4。

表4 材料熱力學參數

(2)采用二維平面單元PLAN55建模，如圖11所示。假定兩個模型的各結構層溫度均勻，兩種模型的初始溫度和環境溫度與試驗溫度相同，均設定為-5 ℃，模型左右兩側設定為絕熱即不與周圍環境進行熱交換，模擬試驗中的保溫層。

圖11 劃分網格后數值計算模型

(3)周邊環境風速設定為2.5 m/s，加熱過程中保持模型四周的溫度以及風速不變。

(4)在兩種模型的計算過程中，模型兩側的導熱系數均設定為0，模擬實體試驗中在試件周圍布置的保溫層，即試件與周圍環境之間無熱傳遞；模型上表面與空氣直接接觸，風速以面荷載熱對流的形式施加在模型上表面，對流換熱系數用以表示流體與固體表面之間的比熱能力，與風速大小、模型上表面狀況以及物理特性相關，通常取經驗值，設定對流換熱系數為32 W/(m2·℃)。

(5)碳纖維發熱線部位施加熱流荷載，根據熱流的定義計算出熱流q的計算公式為：

q=P/S=U2/(RS)

式中：P為碳纖維發熱線的總電功率；R為碳纖維發熱線的總電阻；S為碳纖維發熱線的截面面積；U為碳纖維發熱線的輸入電壓。經計算q雙=8.2×103W/m2，q單=1.64×103W/m2。

(6)加熱時長為5 h即1.8×104s。

2.2 機場道路內置雙層碳纖維發熱線熱傳導數值模擬與試驗結果對比分析

由于文獻[12]中沒有描述溫度測點的布置方案，所以以下僅對雙層碳纖維發熱線熱傳導數值模擬結果與試驗結果進行對比分析。

通過觀察熱傳導試驗和有限元分析后模型上表面的平均溫度變化趨勢(圖12)，可以看出數值計算所得的最高平均溫度為5.1 ℃，接近試驗所得的最高平均溫度4.21 ℃，在數值計算和試驗結果中顯示試件(模型)上表面均在180 min時突破冰點，100 min后試驗所得的溫升虛線略低于數值計算結果，但試驗和模擬所得的溫升曲線較相近，有限元分析與試驗結果基本吻合，證明本文所述的有限元模擬方法符合實際狀況，并且具有較高精度。

圖12 路面平均溫度變化趨勢

2.3 數值模擬結果對比

現將機場道路內置雙層模型和機場道路內置單層模型的數值計算結果進行對比分析，如圖13和表5所示。

圖13 模型溫度云圖

表5 模型溫度云圖對比分析

通過圖13和表5可以看出，在相同邊界條件、初始條件、環境因素以及加熱時間的條件下，內置雙層碳纖發熱線模型內部最高溫度比單層高出13.48 ℃，表面最高溫度比單層高出2.98 ℃，沿高度方向溫度場范圍比單層多出60 mm，證明內置雙層碳纖維發熱線模型內部產熱和蓄熱能力較強。

圖15，16為兩種模型表面溫度隨時間的變化曲線，A1，B1，C1代表內置單層碳纖維發熱線路面模型上的3個測點，A2，B2，C2代表內置雙層碳纖維發熱線路面模型上的3個測點，具體位置如圖14所示。

圖14 測點位置示意

圖15 模型表面測點溫度變化趨勢

表6 測點溫升結果對比分析

圖16 內置單、雙層碳纖維發熱線數值模型表面平均溫度變化趨勢

通過圖15，16和表6，對比加熱過程中內置單、雙層碳纖維發熱線路面模型上表面測點的溫升曲線可以得出：

(1)模擬加熱過程中，從雙層模型和單層模型表面測點的溫升曲線均可以看出靠近模型中間區域測點的溫度和溫升速率要比邊緣區域高，符合熱傳導試驗總結的規律；

(2)經過5 h加熱后機場道路內置單層碳纖維發熱線模型表面的最高溫度可達到2.94 ℃，表面平均溫度達到1.91 ℃，平均溫升速率為1.382 ℃/h，突破冰點的平均時間為220 min， 能夠達到融化機場道路冰雪的目的，并且節約電能，但路面的溫升速率較慢，表面突破冰點需要的時間更久，融雪化冰的效率較低；

(3)經過5 h加熱后機場道路內置雙層碳纖維發熱線模型表面的最高溫度可達到5.92 ℃，表面平均溫度達到4.92 ℃，平均溫升速率為1.984 ℃/h，突破冰點的平均時間為185 min，能夠實現在低溫情況下機場道路高效融雪化冰的效果，但電能消耗較高；

(4)機場道路內置雙層碳纖維發熱線表面的溫升速率較高，能夠達到內置單層碳纖維平均發熱線溫升速率的1.436倍。

3 結 論

本文從熱傳導試驗和有限元計算兩個方面進行對比分析，得出以下結論:

(1)本文采用ANSYS建立的瞬態熱傳導數值模擬方法，其計算結果與試驗結果相吻合，能夠比較準確地模擬機場道路冬季加熱過程中的溫度場分布情況以及溫度變化。

(2)通過熱傳導試驗可以看出，雙層的表面最高溫度比單層高出3.2 ℃，平均溫升速率為單層的1.47倍；根據數值計算結果，雙層模型的溫度場范圍要大于單層模型，內部最高溫度比單層高13.48 ℃，表面最高溫度比單層高出2.98 ℃，平均溫升速率為單層的1.436倍；由此說明在低溫環境下，雙層碳纖維發熱線的產熱能力和熱傳導能力較強。

(3)由機場道路內置雙層碳纖維發熱線融冰試驗結果可以看出，試件在240 min表面冰層就開始融化，320 min后表面冰層完全融化，證明機場道路內置雙層碳纖維發熱線的融化效果良好。

(4)在冬季路面溫度較高的地區，對路面融雪化冰速率無太高要求，機場道路采用內置單層碳纖維發熱線的方法，消耗電能較少，工程成本和施工難度較低，能夠清除機場道路冰雪；但路面溫升速率較慢，需要長時間加熱才能使路面達到冰點。在冬季路面溫度較低的地區，對機場道路融雪化冰速率要求較高，為防止機場道路融化的積水再次解凍，宜采用內置雙層碳纖維發熱線的方法，能夠實現機場道路快速、高效的清除冰雪；但能耗較高，工程成本較高，施工難度較高。

(5)針對不同地區的氣候條件和對機場道路融雪化冰速率的要求，機場道路內置碳纖維發熱線的層數、布置間距以及埋深情況等參數也不相同，可利用上述數值模擬的方法對機場道路內置碳纖維發熱線的層數、布置間距以及埋深情況等參數進行優化，用于指導工程應用。