【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及寒區(qū)隧道工程，特別是涉及一種考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法。
技術(shù)介紹
1、寒區(qū)隧道內(nèi)的溫度環(huán)境對于凍害的產(chǎn)生和發(fā)育有著十分顯著的影響，通過各種手段調(diào)控隧道內(nèi)的溫度分布是當(dāng)前隧道凍害防治的重要思路。而寒區(qū)隧道內(nèi)溫度和隧道內(nèi)空氣流動狀況存在著耦合效應(yīng)，一方面，隧道內(nèi)氣溫分布影響隧道內(nèi)的熱位差，進而影響風(fēng)速的大??；另一方面，風(fēng)速決定了空氣與隧道結(jié)構(gòu)對流換熱的劇烈程度、寒冷季節(jié)中進入隧道內(nèi)低溫空氣的流量，進而對隧道內(nèi)溫度環(huán)境產(chǎn)生顯著的影響。因此，若要準確地獲取隧道內(nèi)的溫度分布，那么通風(fēng)的影響不可被忽略。
2、在當(dāng)前寒區(qū)隧道通風(fēng)對溫度分布影響的研究中，諸多學(xué)者取得了一系列的成果。在2010年《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》上發(fā)表的《考慮襯砌和隔熱層的寒區(qū)隧道溫度場解析解》中，夏才初等假定隧道內(nèi)風(fēng)速為定值，在此條件下求得了寒區(qū)隧道內(nèi)氣溫分布的解析解。在2021年《科學(xué)技術(shù)與工程》上發(fā)表的《熱位差以及洞口凈壓差影響的寒區(qū)隧道溫度場研究》一文中，張晨曦等指出隧道內(nèi)引起通風(fēng)的三種壓差因素，并指出熱位差在寒區(qū)隧道內(nèi)通風(fēng)和氣溫的重大影響。2016年，西南交通大學(xué)的賈輝在其碩士學(xué)位論文《氣象要素對寒區(qū)隧道溫度場影響及縱向分區(qū)研究》中總結(jié)了隧道內(nèi)引起通風(fēng)的各種因素，并對東北某一寒區(qū)隧道的溫度分布狀況進行了現(xiàn)場實測，并對該隧道內(nèi)通風(fēng)原理和影響溫度的機理進行了分析。2024年在《international?journal?of?thermal?sciences》上發(fā)表的《anovelindicator?for?equiva
3、以上寒區(qū)隧道通風(fēng)對溫度影響的研究中，目前僅僅是從理論角度對寒區(qū)隧道流場和溫度場實測角度進行分析、運用數(shù)值仿真手段對通風(fēng)對溫度分布的影響進行驗證與預(yù)測或在假定風(fēng)速的條件下對溫度場分布進行解析計算，而在隧道內(nèi)風(fēng)速和氣溫耦合解析計算方法和計算機理方面仍然欠缺相應(yīng)研究。
4、基于此，本專利技術(shù)提出一種考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，以量化隧道內(nèi)通風(fēng)過程對溫度分布的影響，從而可以更加準確合理地求解隧道內(nèi)的溫度分布狀況。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中僅僅在假定風(fēng)速情況下對于溫度場進行求解，而風(fēng)速的選擇具有很大的盲目性、人為性，導(dǎo)致計算結(jié)果不夠合理準確，而提供一種考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法。
2、為實現(xiàn)本專利技術(shù)的目的所采用的技術(shù)方案是：
3、一種考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，包括以下步驟：
4、步驟1，求解中間參數(shù)和中間參數(shù)α11、α21、α31和α41均為中間參數(shù)，其中：
5、
6、矩陣s為：
7、
8、矩陣s11、s21、s31、s41分別為：
9、
10、
11、式中：h為隧道結(jié)構(gòu)與空氣的對流換熱系數(shù)，單位為w·m-2·℃-1；λ1、λ2、λ3分別為保溫層、襯砌混凝土、圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)，單位均為w·m-1·℃-1；r0、r1、r2、r3分別為保溫層內(nèi)側(cè)半徑、保溫層與襯砌混凝土交界面半徑、襯砌混凝土與圍巖交界面半徑、當(dāng)徑向深度到達一定值時溫度不隨時間變化圍巖的半徑，即隧道結(jié)構(gòu)外邊界半徑，單位均為m；
12、求解中間參數(shù)f1(r0,s,h)，k1為保溫層的熱擴散系數(shù)，單位為m2·s-1；i0(·)和k0(·)分別為第一類0階和第二類0階虛宗量貝塞爾函數(shù)；s為中間參數(shù)，s＝iω，ω為年變化頻率，單位為s-1；i為虛數(shù)單位；β11(r0,s,h)和β21(r0,s,h)為中間參數(shù)，其中：
13、
14、矩陣s'為：
15、
16、矩陣s'11、s'21分別如下：
17、
18、式中：i1(·)和k1(·)分別為第一類1階和第二類1階虛宗量貝塞爾函數(shù)；k2、k3分別為襯砌混凝土、圍巖的熱擴散系數(shù)，單位為m2·s-1；
19、步驟2，求解寒區(qū)隧道軸向溫度場；
20、求解進深為z處隧道內(nèi)氣溫的年平均值的過程值(單位為℃)，其中z為進深(單位為m)：
21、
22、式中：lm為隧道內(nèi)氣溫的年平均值的過程值進口段和出口段分界點的進深，單位為m；h1和h2分別為隧道進口段和出口段隧道結(jié)構(gòu)與空氣的對流換熱系數(shù)，單位為w·m-2·℃-1，其中h1＝3.36v1+6.32、h2＝3.36v2+6.32；v1和v2分別為隧道內(nèi)進口段和出口段的風(fēng)速，單位為m·s-1；tm,0和tm,l分別為隧道進口和出口氣溫的年平均值，單位為℃；l為隧道長度，單位為m；ρ為隧道內(nèi)空氣密度，單位為kg·m-3；c為空氣比熱容，單位為j·kg-1·℃-1；均為中間參數(shù)，當(dāng)h＝h1時，當(dāng)h＝h2時，ts為隧道結(jié)構(gòu)外邊界溫度，即隧道結(jié)構(gòu)外邊界半徑r3處的溫度，單位為℃，其可通過下式計算：
23、
24、式中：tc為恒溫層圍巖溫度，單位為℃，恒溫層指從地表向下達到一定深度時，溫度不再隨時間變化、保持常年不變的地帶；為隧道全長的平均埋深，單位為m；r0為隧道圍巖溫度場影響深度，單位為m；r1為恒溫層埋深，單位為m；k為地溫梯度，單位為℃·m-1；
25、lm通過下式確定：
26、
27、求解進深為z處隧道內(nèi)氣溫的年振幅值ta(z)(單位為℃)：
28、
29、式中：la為隧道內(nèi)氣溫的年振幅值進口段和出口段分界點的進深，單位為m；ta,0和ta,l分別為隧道進口和出口氣溫的年振幅值，單位為℃；re(·)為虛數(shù)的實部部分；f1(r0,iω,h1)、f1(r0,iω,h2)為中間參數(shù)，當(dāng)h＝h1、s＝iω時，f1(r0,iω,h1)＝f1(r0,s,h)；當(dāng)h＝h2、s＝iω時，f1(r0,iω,h2)＝f1(r0,s,h)；
30、la通過下式確定：
31、
32、步驟3，求解寒區(qū)隧道內(nèi)最冷月氣溫軸向分布的過程值tcm(z)(單位為℃)：
33、
34、其中：τ為一自變量；
35、步驟4，隧道內(nèi)風(fēng)速和寒區(qū)隧道內(nèi)最冷月氣溫軸向分布的迭代計算求解：
36、初始假定隧道內(nèi)進口段和出口段的風(fēng)速v1和v2，在隧道內(nèi)空氣密度ρ未知的情況下采用步驟1至步驟3，求解寒區(qū)隧道內(nèi)最冷月氣溫軸向分布的過程值tcm(z)；其中，此時隧道內(nèi)空氣密度ρ取最冷月隧道內(nèi)空氣密度ρ0(單位為kg·m3)，即有ρ＝ρ0；在求解l本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，式中：ρ1、ρ2、ρ3分別為保溫層、襯砌混凝土、圍巖的密度，單位為kg·m-3；c1、c2、c3分別為保溫層、襯砌混凝土、圍巖的比熱容，單位為J·kg-1·℃-1。
3.如權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，
4.如權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S5中，Tm,in通過實測獲得。
5.如權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟S5中，ρ'in和ρ'out通過實測獲得或通過經(jīng)驗公式ρ'in＝1.25e-0.0001H'，ρ'out＝1.25e-0.0001H”近似計算，H'和H”分別為隧道進口和出口的海拔高度，單位為m。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于，式中：ρ1、ρ2、ρ3分別為保溫層、襯砌混凝土、圍巖的密度，單位為kg·m-3；c1、c2、c3分別為保溫層、襯砌混凝土、圍巖的比熱容，單位為j·kg-1·℃-1。
3.如權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)速的寒區(qū)隧道內(nèi)的最冷月氣溫軸向分布預(yù)測方法，其特征在于...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張力杰，穆彥虎，李凌潔，丁澤琨，楊翔，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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