凝冻天气水闸积冰影响因素仿真分析研究

2022-11-29杨文，明星

陕西水利 2022年11期

杨文，明星

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司,贵州贵阳 550081）

凝冻现象在我国西南贵州等地冬季普遍存在,是雨凇和雾凇在结构表面凝结生长的自然现象[1]。农田灌溉输水作业中,水闸多暴露在野外,地理环境复杂,气象条件恶劣,凝冻天气气候事件极易导致闸门与门槽冻结,扰乱区域沿线农业生产和水利设施的稳定运行,严重时会危害水闸动力提升系统和混凝土支撑结构的安全寿命。其受灾程度与积冰量直接相关,多以积冰厚度作为衡量指标[2]。因此,研究影响水闸积冰增长的主要环境因素,探索科学的农田水利工程防冻减灾方法是十分必要的。

研究积冰的方法主要有三大类[3]：①工程估算,采用由理论分析及试验结果所得到的经验公式和图表进行估算；②实验研究,通过相似理论设计冰风洞试验,得到结构表面在冷锋气流作用下覆冰的形状；③数值模拟,建立风场物理过程数学模型,经计算机计算求解固体表面积冰形状特征。工程估算不研究积冰的发展过程,只估计表面覆冰范围和冰形,适用的研究范围小。实验研究可以直接观测积冰过程,但是模型实验难度大、成本高、周期长,限制因素很多。相比较而言,数值模拟基于简化过的实际物理过程,建立数学模型模拟积冰过程,适用的研究范围广,可大幅降低研究成本。随着计算流体力学的发展和计算机算力的提高,结冰数值仿真在多领域研究中得到了应用。

结冰数值模拟的目标是获得结构表面覆盖冰层的质量和形态。模拟过程中首先计算N-S（Navier-Stokes）方程求解外流场结构特征,以此为基础应用拉格朗日法或欧拉法计算水滴轨迹,得到撞击结构表面液滴的水收集系数,然后通过积冰模型分析表面结冰量。目前针对结冰计算有很多软件,如美国的LEWICE、加拿大的FENSAP-ICE、英国的DRA、法国的 ONERA、意大利的 CIRAMIL等软件都是基于Messinger模型[4]所开发,通过求解固体结构表面控制体内,液体的质量守恒和能量守恒方程计算结冰量。其中FENSAP-ICE[5]是目前最成功的商用结冰仿真软件。加拿大麦吉尔大学提出的SWIN模型认为控制体内未凝结的水会在结构表面形成一层水膜 ,应用牛顿剪应力公式计算水膜液体流速,估计控制体中液体的流出量,其结冰计算结果与实际物理过程一致性较好。英国的克兰菲尔德大学提出的Myers模型[6]在剪切力作用的基础上,增加了压力、表面张力和重力,完善了水膜流动物理过程的描述。本文采用目前成熟的FENSAP-ICE结冰仿真软件,模拟凝冻天气条件下的水闸积冰现象,分析局部气象要素对覆冰发展的影响特征,可以丰富农田水利施工积冰分析资料,为优化水闸结构解决覆冰问题提供科学依据。

1 水闸积冰计算

1.1 计算模型

根据本项目现场实验水闸三维模型,研究闸门与门槽连接区域积冰特征,简化略去了顶部提升机构、支撑梁及配套附件,建立的流场控制体包含闸门与门槽接触部分,得到如图1所示的流场分析模型,采用ANSYS Model软件实现网格划分,见图2,网格总数250万,网格质量大于0.2。

图1 水闸模型及流场区域

图2 水闸网格划分

1.2 计算方法

由FENSAP-ICE三个模块模拟水闸在大气冷锋作用下的结冰过程,按照外流场计算、水滴撞击特性分析和结冰计算的顺序完成[7-9]。首先Airflow模块求解Navier-Stokes方程,实现质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程计算；其次 Droplet模块根据气、液两相流建立控制方程,由水滴体积分数建立水滴连续方程和运动方程,求解固体表面水的体积分数和流速,进而计算局部水滴收集系数；最终Ice accretion模块利用Messinger模型进行质量和能量平衡分析,计算结冰量。

1.3 积冰仿真

为研究水闸表面在冷锋过境时的结冰情况,将来流温度控制在-8℃,设置仿真分析条件见表1。

表1 结冰计算条件

按照图3所示计算流程,应用FENSAP-ICE对图1所示水闸模型实施结冰仿真,结果见图4。从图4 中可知水闸表面积冰的分布特点。覆冰现象最先在闸门和门槽连接密封处形成,随冷锋携带过冷却水滴持续作用,覆冰面向中心部分扩展,闸门顶部蓄水能力弱,形成覆冰的速度缓慢。因此,在闸门和门槽等结构连接处易形成积冰。从图5积冰厚度分布图中可知,水闸下部门槽附近的积冰厚度最大约为0.17 mm,门槽两侧积冰厚度向上逐渐减小,顶部覆冰厚度最小。

图3 结冰计算流程

图4 迎风面积冰分布

图5 水闸表面覆冰厚度分布

2 水闸积冰过程影响因素分析

凝冻天气伴随有多次冷锋过境,覆冰是在高寒潮湿地区冷锋过境时,冻雨、湿雪和霜雾携带的过冷却水滴,随风撞击结构表面冻结的过程。积冰形成既受大范围气候特征和环流形式控制,也和水闸所在地的温度、湿度、冷暖空气对流等局部区域因素相关。

2.1 覆冰影响因素

凝冻过程中空气中的过冷却水（雾滴或雨滴）随风撞击到水闸表面,覆冰范围、厚度和分布特征受水闸结构特点、气象条件和迎风面温度影响。直接相关的参数有：①液态水含量（LWC, Liquid Water Conten）是指单位体积大气所含过冷却水滴的质量和,常用单位是g/m3；②环境温度是指凝冻天气条件下,水闸所处地理位置的大气温度,常用单位为℃或K；③水滴平均直径（MVD, Median Valid Diameter）是描述水滴尺寸大小的物理量,其常用单位为μm。实际云、雾中的水滴直径是多变的,不同尺寸的水滴在气流中的分布也是不均匀的,通常将单位体积含水量最大时对应的水滴直径作为水滴平均直径；④风速是指凝冻天气下空气流经水闸的速度,其常用单位为m/s。

2.2 凝冻结冰的环境特征

雨凇和雾凇及两者都存在的混合淞是覆冰形成的主要形式。区别是形成结冰时大气中的液态含水量和水滴直径不同。降雨水滴直径在0.1 mm～8 mm内分布,雾气中的水滴直径在3 μm～100 μm中变化。在-10℃～0℃范围内,小直径水滴在固体表面冻结形成雾凇,大直径水滴冻结形成雨凇。由于雨凇冻结过程中,部分过冷却水滴在固体表面流动,会形成硬度较高的冰层。雾凇发生时的风速较低,不超过2 m/s；雨凇发生时风速相对较高,可达到10 m/s。

2.3 仿真实验条件

前述积冰仿真过程说明FENSAP-ICE软件能够较好得模拟水闸表面覆冰发展的过程。本文采用数值模拟的方法分析水闸表面覆冰厚度生长的规律。采用图4 所示水闸模型,按照前述覆冰形成环境特征,制定表2 所示的仿真实验计算条件,分别模拟水闸结冰,统计各条件下水闸积冰最大厚度。实验方案设计时选择0 号案例作为参考,其余计算条件参考案例0 调整参数,实施仿真实验。

表2 仿真实验案例分析计算条件

3 实验结果

3.1 温度

案例1～3中温度存在差异,其余积冰条件与案例0相同。分析这四个算例,得到如图6所示的不同温度条件下水闸表面覆冰厚度最大值。

图6 覆冰厚度随温度变化趋势

从图6中可以看出相同条件下,温度越低表面覆冰的厚度越大。当温度从-0.5℃降到-8℃时,覆冰厚度的增量较大；当温度从-8℃降到-12℃时,覆冰厚度的增量较小。覆冰厚度的增量随着温度的降低而减小。曲线拟合得到覆冰最大厚度h与温度t的变化关系为：拟合结果较好。

3.2 水滴直径（MVD）

案例4～6 中积冰条件除了气流中的水滴直径,其余积冰条件都与案例0 相同。分析这四个算例,得到如图7所示不同水滴直径条件下水闸表面覆冰厚度最大值。

图7 覆冰厚度随水滴直径变化趋势

从图7中可以看出,水滴直径10 μm的覆冰厚度最小,20 μm、30 μm和40 μm时厚度随水滴直径增大而变大,但是随着水滴直径增大,覆冰厚度增速变缓。曲线拟合得到覆冰大厚度h与水滴直径d的变化关系为：

拟合结果反映了两者总体的变化趋势。

3.3 液态水含量（LWC）

案例7～9 中积冰条件除了气流中的液态水含量,其余积冰条件都与案例0 相同。分析这四个算例,得到如图8所示不同液态水含量条件下水闸表面覆冰厚度最大值。

图8 覆冰厚度随液态含水量变化趋势

从图8中可以看出,覆冰厚度随着液态水含量的增大而增大,与水滴直径影响特征相似,液态水含量增大后,覆冰厚度的增量减少。拟合得到最大覆冰厚度h与液态含水量C的变化关系为：

液态含水量与覆冰最大厚度间的相关性比水滴直径好,趋势线斜率较大,参数变化的影响能力较水滴直径大。

3.4 风速

案例10～12 中积冰条件除了风速,其余积冰条件都与案例0 相同。分析这四个算例,得到如图9 所示不同风速条件下水闸表面覆冰厚度最大值。

图9 覆冰厚度随风速变化趋势

低温条件下,风可以不断向水闸表面输送过冷却水滴,促使积冰发生,但是从图9 中可以看出,覆冰厚度随着风速增大而减小,这是因为水滴收集系数分布特征改变,在实际条件下过冷却水滴在凝结过程中容易被风吹离水闸表面,不易附着结冰。曲线拟合得到覆冰最大厚度h与风速v的变化关系为：

覆冰厚度h与风速v间的相关性较差,在风速增大时覆冰厚度减少量变小。

3.5 水闸表面粗糙度

案例13～15 中积冰条件除了结构表面粗糙度,其余积冰条件都与参考案例0 相同。分析这四个算例,得到如图10 所示不同表面粗糙度条件下水闸表面覆冰厚度最大值。

图10 覆冰厚度随结构表面粗糙度变化趋势

观察图10 中趋势线变化特征,可以看出覆冰厚度随着粗糙度值增大,先减小后增大,具有二次曲线的特征。曲线拟合得到覆冰最大厚度h与表面粗糙度r的变化规律为：

拟合结果较好。从总体变化特征来看,粗糙度变大会使覆冰厚度增大,但是持续改善表面光洁度,覆冰厚度没有随之减小。分析其原因,一般认为表面粗糙度大,过冷却水滴更容易附着在固体结构表面,促进积冰形成。随着粗糙度下降,水滴在固体表面附着主要取决于液体剪应力,体现为液体张力与固体表面的作用,这时固液附着能力与液体本身的属性相关。因此,提高固体表面质量可以减少覆冰厚度,但是在光滑表面可改变的范围不大。