机场道路碳纤维电热法融雪化冰试验与数值模拟

黄彩萍， 余 浩， 谭 燕， 游文峰

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

冬季机场道路受天气影响经常会积雪结冰，导致机场运营受阻。由于机场道路面积较大，为加快路面除雪融冰的速度常采用大型除雪机械。

关于道路路面融雪化冰方面的研究有很多，罗新欣等[1～3]研究在桥面板内部铺设发热电缆，探究了桥面板融雪化冰的效果和可行性以及影响桥面板融雪化冰效果的因素。符养斌等[4]对比分析了碳纤维电缆加热技术与普通除雪技术的融雪效果以及经济性。杨畅等[5～7]利用有限元分析的方法建立数值模型，研究了桥面内置碳纤维发热线的铺设间距、埋深、电流、温度和风速等因素与桥面温升速率和融雪化冰效率之间的关系。袁玉卿等[8～10]研究了影响沥青混凝土路面内置碳纤维发热线融雪效率的因素。李赏[11]提出路面预埋电阻网进行融雪化冰的设想，并结合有限元分析和试验结果对该方法进行验证，探究了影响路面预埋电阻网融雪化冰速率的因素。张楚杰等[12]通过构建ANSYS热分析模型研究了机场混凝土道板内置单层碳纤维发热电缆融雪化冰的效果以及发热电缆的布置间距、埋深等因素与机场混凝土道板融雪化冰效果之间的规律。Wan等[13]提出了钢渣再利用技术，利用钢渣设计了具有融雪化冰功效的路面超薄摩擦层，提高了路面的感应加热性能以及融雪化冰效率。Mohammed等[14]在环境试验箱内将三种不同形式的碳纤维埋入混凝土试件中，对其加热性能进行了测试，研究了热功率密度、环境温度、加热板安装深度、混凝土湿度、碳纤维形态等参数对混凝土试块温度变化的影响。Han等[15]提出了一种三元乙丙橡胶导电复合材料，并利用电热试验分析了该复合材料的发热和传热效果。Sun等[16]进行了循环三点弯曲试验，对感应加热和微波加热自愈合沥青混合料的融雪化冰性能进行了研究。

在道路内设置碳纤维发热电缆融冰雪是一种新型的主动融雪化冰技术，其工作原理是在道路内部铺设碳纤维发热电缆，通过发热电缆将电能转换为热能，再通过道路内部的热传导效应将热能传递到路表面，使路面温度突破0 ℃从而实现融化路面冰雪的目的。国内外学者针对碳纤维发热线在融雪化冰方面的研究主要集中在路面、桥面，关于机场道路融雪化冰方面的研究较少，并且仅限于机场道路内置单层碳纤维发热线上的融雪化冰性能研究，未涉及机场道路内设置多层碳纤维发热线的发热性能研究。本文为研究机场道路内置单层和双层碳纤维发热线的热传导性能的差异及优缺点，在恒温试验室内设计了机场道路内置双层碳纤维发热线模型，并进行热传导试验。利用ANSYS有限元分析软件建立机场道路内置单、双层碳纤维发热线数值计算模型，将数值计算结果与试验结果进行对比分析。从试验和数值计算两个方面进行对比分析，得出机场道路内置单、双层碳纤维发热线各自的温升效果和优缺点。

1 热传导与融冰试验

1.1 试验模型设计

按MH5004-2009《民用机场水泥混凝土道面设计规范》[17]和MH5006-2002《民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范》[18]的规定，以飞行区(等级4F)为标准，机场道路的结构层为：土基、垫层、基层和面层；本文根据上述规定设计了机场道路模型，土基采用压实土，垫层采用中砂，基层和面层均采用水泥混凝土浇筑而成，其中面层水泥混凝土中添加防冻剂，抗冻等级达到F300，如图1，2所示。

图1 机场道路试验模型

图2 结构示意/mm

机场道路内置双层碳纤维发热线热传导试验中采用24 K规格的PFA型碳纤维发热线，发热线性能参数见表1。碳纤维发热线如图3所示，铺设方式见图4。沿试件高度方向布置两层碳纤维发热线，相邻两排发热线的布置间距为150 mm，第一层发热线距试件上表面50 mm，第二层距试件上表面150 mm。

表1 24 K碳纤维发热线的性能

图3 PFA碳纤维发热线

图4 碳纤维发热线及温度测点布置

1.2 试验装置

为测试试件内碳纤维发热线的传热性能，实时监测试件上表面的温度变化情况，在试件上表面布置三条测温线，每条测温线包含8个温度测点，如图4所示。为保障试验的精确性，避免其它因素对试验结果产生影响，建立封闭的机场道路热传导试验系统，如图5所示，其中：风扇和风速仪用来控制经过试件上表面风速的大小；环境温度控制终端调节试验室内的环境温度，为热传导试验提供稳定的试验温度；调压器用于控制发热电缆的输入电压；数据采集和处理模块收集温度传感器提供的信息并进行处理，然后通过通讯线将温度数据传输至电脑。

图5 试验装置示意

1.3 热传导试验过程及结果分析

现进行机场道路热传导试验，在整个加热过程中每过10 min记录一次各测点的温度数据，直至加热结束。

整个试验内容分为三个步骤：

(1)调节室温，试验开始前通过制冷机对恒温试验室进行3 h的降温处理，使室内温度达到-5 ℃；

(2)调节风速，通过调整风扇的风速和位置使得试件上表面的风速达到2.5 m/s，在整个试验过程中保持不变；

(3)加热试件，通过调压器控制和稳定发热电缆的输入电压，使其保持在220 V，给试件加热5 h，在加热过程中保持室内温度不变。

图6 测线平均温度变化趋势

图7 A～H组测点最高温度平均值变化趋势

表2 各组测线温升数据

由图6，7和表2可以看出：

(1)在加热过程中1号和3号测线的温度变化较为接近，并且在各个阶段都低于2号测线的实测温度；

(2)2号测线突破冰点的时间比1，3号测线快20 min左右，且在整个温升试验过程中温升速率均高于1，3号测线；

(3)从各组测线的平均温度变化趋势中可以看出，达到冰点前测线的温升速率明显高于达到冰点后的温升速率；

(4)A～E组和H～E组测点的最高温度平均值(A为A1，A2，A3在加热过程中最高温度的平均值，以下依次类推)均呈线型上升趋势，在E点时温度达到最高，测点组的最高平均温度与距离试件中心的远近成正比关系。

通过温升试验的结果可以看出，加热5 h后越靠近试件中心区域温度越高，热量主要集中在中心区域，试件4个侧面虽铺设保温层，但并不能达到完全隔热的效果，仍然有少量热量损失。加热后模型上表面的最高平均温度可以达到4.4 ℃左右，表面的平均温升速率达到2.292 ℃/h，试验结果表明机场道路内置双层碳纤维发热线具有良好的传热性能，完全能够达到融化路面冰雪的温度要求。

1.4 内置单、双层碳纤维发热线热传导性能对比

文献[12]进行了机场道路内置单层碳纤维发热线的加热试验，其碳纤维发热线距离试件上表面50 mm，为研究机场道路内置单、双层碳纤维发热线的传热性能和优缺点，现将其试验结果与本文试验进行对比分析。

图8 模型表面平均温度变化趋势

表3中的平均温升速率表示在整个加热过程中模型表面平均每小时的温度变化量，即温度变化量和加热时长的比值。

表3 热传导试验条件及温升速率

由图8、表3可以看出，机场道路内置单层碳纤维发热线的热传导试验初始温度较高为-1 ℃，加热75 min左右就已经突破冰点，突破冰点前的温升速率为0.013 ℃/min，经过5 h加热后，试件表面的平均温度持续上升，最后稳定在1.2 ℃左右，突破冰点后的温升速率为0.005 ℃/min，平均温升速率为0.021 ℃/min；双层试验的初始温度较低为-5 ℃，加热180 min后试件表面温度才突破冰点，突破冰点前的温升速率为0.036 ℃/min，经过5 h加热后，试件表面的平均温度持续上升最后稳定在4.4 ℃左右，突破冰点后的温升速率为0.042 ℃/min，平均温升速率为0.031 ℃/min。

通过分析可以得出：

(1)机场道路内置双层碳纤维发热线的温升速率要高于单层，但未能达到机场道路内置单层温升速率的2倍，为单层温升速率的1.47倍，可见在机场道路内置双层碳纤维发热线中第二层发热线产生的部分热量向试件下部传递，部分热量沿试件四周与周边环境进行热交换，说明机场道路内增加碳纤维发热线的层数，热损失也随之增加；

(2)环境温度较高时，机场道路采用内置单层碳纤维发热线的布置方法能够使路面温度达到冰点并且节约电能，可以达到融化机场道路冰雪的温度要求。但环境温度较低或追求更快的融雪化冰效果时，内置单层碳纤维发热线则难以达到预期的要求。

(3)环境温度较低时，机场道路采用内置双层碳纤维发热线的布置方法，经过较长时间加热后可使路面温度达到4.4 ℃，远高于内置单层碳纤维发热线加热后路面温度，可以实现低温状况下路面高效融雪化冰的效果，但是耗能较高。

1.5 机场道路内置双层碳纤维发热线融冰试验

为研究机场道路内置双层碳纤维发热线模型的实际融冰效果，在恒温试验室内，进行机场道路内置双层碳纤维发热线模型的融冰试验，研究模型在荷载作用下表面突破冰点的时间、温升速率以及冰层完全融化所需的时间。

整个试验步骤如下：

(1)调节室温，试验开始前通过制冷机对恒温试验室进行3 h的降温处理，使室内温度达到-5 ℃。

(2)调节风速，通过调整风扇的风速和位置使试件上表面的风速达到2.5 m/s，在整个试验过程中保持不变。

(3)施加荷载，利用制冰机制作碎冰，并将碎冰铺设于试件表面，冰层厚度为10 mm。

(4)加热试件，通过调压器控制和稳定发热电缆的输入电压，使其保持在220 V，给试件持续通电加热6 h，加热过程中保持室内温度不变。

试件经过6 h加热处理后，各组测线的温度变化趋势如图9所示，路面的平均温度变化趋势如图10所示，可以看出在整个融冰试验过程中：

图9 测线平均温度变化曲线

图10 路面平均温度变化曲线

(1)2号测线的温度在各个时间段要高于1，3号测线的温度，1号测线和3号测线温升曲线相吻合；

(2)2号测线的最高温度为1.61 ℃，高于1，3号测线，而1，3号测线的最高温度分别为1.28，1.32 ℃，仅相差0.04 ℃；

(3)2号测线突破冰点的时间更早为240 min，而1，3号测线突破冰点相同为270 min；

(4)2号测线的平均温升速率为0.021 ℃/min，1号测线的平均温升速率为0.017 ℃/min，3号测线的平均温升速率为0.018 ℃/min，1，3号的平均温升速率较为接近但都低于2号测线；

(5)路面的最高平均温度达到1.41 ℃，平均温升速率为0.019 ℃/min，突破冰点前的温升速率要高于突破冰点后的温升速率。

根据分析可以看出，在加热过程中试件中间区域热量比较多，区域内的温升速率以及温度较高，四周热损失较大，需要进一步优化试件四周的隔热处理，减少热损失。通过对融化试验中试件表面冰雪融化状况的观察发现，试件加热240 min后试件四周就开始出现水滴，试件表面冰层开始融化，320 min左右试件表面的冰层已经全部融化，此时试件中心区域仅存在少量水渍，四周水渍较多，机场道路内置双层碳纤维发热线具有良好的融冰效果。

2 数值模拟

2.1 有限元建模

以下采用ANSYS有限元分析软件，分别建立二维机场道路内置单、双层碳纤维发热线数值模型，模拟试件加热过程中断面的温度场变化情况，数值模型的结构层以及尺寸均与上述试验中的试件一致。

建模方法如下：

(1)选用瞬态热分析模块进行模拟。碳纤维发热线产生的热量以热传导、热辐射、热对流三种方式在试件中传递热量，其中主要以热传导的方式在试件内部传递热量，因此在模拟计算中主要考虑热传导这种方式，材料热力学参数见表4。

表4 材料热力学参数

(2)采用二维平面单元PLAN55建模，如图11所示。假定两个模型的各结构层温度均匀，两种模型的初始温度和环境温度与试验温度相同，均设定为-5 ℃，模型左右两侧设定为绝热即不与周围环境进行热交换，模拟试验中的保温层。

图11 划分网格后数值计算模型

(3)周边环境风速设定为2.5 m/s，加热过程中保持模型四周的温度以及风速不变。

(4)在两种模型的计算过程中，模型两侧的导热系数均设定为0，模拟实体试验中在试件周围布置的保温层，即试件与周围环境之间无热传递；模型上表面与空气直接接触，风速以面荷载热对流的形式施加在模型上表面，对流换热系数用以表示流体与固体表面之间的比热能力，与风速大小、模型上表面状况以及物理特性相关，通常取经验值，设定对流换热系数为32 W/(m2·℃)。

(5)碳纤维发热线部位施加热流荷载，根据热流的定义计算出热流q的计算公式为：

q=P/S=U2/(RS)

式中：P为碳纤维发热线的总电功率；R为碳纤维发热线的总电阻；S为碳纤维发热线的截面面积；U为碳纤维发热线的输入电压。经计算q双=8.2×103W/m2，q单=1.64×103W/m2。

(6)加热时长为5 h即1.8×104s。

2.2 机场道路内置双层碳纤维发热线热传导数值模拟与试验结果对比分析

由于文献[12]中没有描述温度测点的布置方案，所以以下仅对双层碳纤维发热线热传导数值模拟结果与试验结果进行对比分析。

通过观察热传导试验和有限元分析后模型上表面的平均温度变化趋势(图12)，可以看出数值计算所得的最高平均温度为5.1 ℃，接近试验所得的最高平均温度4.21 ℃，在数值计算和试验结果中显示试件(模型)上表面均在180 min时突破冰点，100 min后试验所得的温升虚线略低于数值计算结果，但试验和模拟所得的温升曲线较相近，有限元分析与试验结果基本吻合，证明本文所述的有限元模拟方法符合实际状况，并且具有较高精度。

图12 路面平均温度变化趋势

2.3 数值模拟结果对比

现将机场道路内置双层模型和机场道路内置单层模型的数值计算结果进行对比分析，如图13和表5所示。

图13 模型温度云图

表5 模型温度云图对比分析

通过图13和表5可以看出，在相同边界条件、初始条件、环境因素以及加热时间的条件下，内置双层碳纤发热线模型内部最高温度比单层高出13.48 ℃，表面最高温度比单层高出2.98 ℃，沿高度方向温度场范围比单层多出60 mm，证明内置双层碳纤维发热线模型内部产热和蓄热能力较强。

图15，16为两种模型表面温度随时间的变化曲线，A1，B1，C1代表内置单层碳纤维发热线路面模型上的3个测点，A2，B2，C2代表内置双层碳纤维发热线路面模型上的3个测点，具体位置如图14所示。

图14 测点位置示意

图15 模型表面测点温度变化趋势

表6 测点温升结果对比分析

图16 内置单、双层碳纤维发热线数值模型表面平均温度变化趋势

通过图15，16和表6，对比加热过程中内置单、双层碳纤维发热线路面模型上表面测点的温升曲线可以得出：

(1)模拟加热过程中，从双层模型和单层模型表面测点的温升曲线均可以看出靠近模型中间区域测点的温度和温升速率要比边缘区域高，符合热传导试验总结的规律；

(2)经过5 h加热后机场道路内置单层碳纤维发热线模型表面的最高温度可达到2.94 ℃，表面平均温度达到1.91 ℃，平均温升速率为1.382 ℃/h，突破冰点的平均时间为220 min， 能够达到融化机场道路冰雪的目的，并且节约电能，但路面的温升速率较慢，表面突破冰点需要的时间更久，融雪化冰的效率较低；

(3)经过5 h加热后机场道路内置双层碳纤维发热线模型表面的最高温度可达到5.92 ℃，表面平均温度达到4.92 ℃，平均温升速率为1.984 ℃/h，突破冰点的平均时间为185 min，能够实现在低温情况下机场道路高效融雪化冰的效果，但电能消耗较高；

(4)机场道路内置双层碳纤维发热线表面的温升速率较高，能够达到内置单层碳纤维平均发热线温升速率的1.436倍。

3 结 论

本文从热传导试验和有限元计算两个方面进行对比分析，得出以下结论:

(1)本文采用ANSYS建立的瞬态热传导数值模拟方法，其计算结果与试验结果相吻合，能够比较准确地模拟机场道路冬季加热过程中的温度场分布情况以及温度变化。

(2)通过热传导试验可以看出，双层的表面最高温度比单层高出3.2 ℃，平均温升速率为单层的1.47倍；根据数值计算结果，双层模型的温度场范围要大于单层模型，内部最高温度比单层高13.48 ℃，表面最高温度比单层高出2.98 ℃，平均温升速率为单层的1.436倍；由此说明在低温环境下，双层碳纤维发热线的产热能力和热传导能力较强。

(3)由机场道路内置双层碳纤维发热线融冰试验结果可以看出，试件在240 min表面冰层就开始融化，320 min后表面冰层完全融化，证明机场道路内置双层碳纤维发热线的融化效果良好。

(4)在冬季路面温度较高的地区，对路面融雪化冰速率无太高要求，机场道路采用内置单层碳纤维发热线的方法，消耗电能较少，工程成本和施工难度较低，能够清除机场道路冰雪；但路面温升速率较慢，需要长时间加热才能使路面达到冰点。在冬季路面温度较低的地区，对机场道路融雪化冰速率要求较高，为防止机场道路融化的积水再次解冻，宜采用内置双层碳纤维发热线的方法，能够实现机场道路快速、高效的清除冰雪；但能耗较高，工程成本较高，施工难度较高。

(5)针对不同地区的气候条件和对机场道路融雪化冰速率的要求，机场道路内置碳纤维发热线的层数、布置间距以及埋深情况等参数也不相同，可利用上述数值模拟的方法对机场道路内置碳纤维发热线的层数、布置间距以及埋深情况等参数进行优化，用于指导工程应用。