一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為埋設(shè)在路堤邊坡一側(cè)或兩側(cè)位置的鴨嘴型管口。所述鴨嘴型管口包括呈封閉的頂面、呈開口的外截面和底截面，并與通風(fēng)直管相接，其整體外形最大截面水平寬度為所述通風(fēng)直管的1~3倍；所述外截面垂直于所述通風(fēng)直管的軸線。本實(shí)用新型可以有效改善空氣在通風(fēng)管入口段的流場(chǎng)條件，顯著增大通風(fēng)管管內(nèi)空氣的流速和通風(fēng)管路基的對(duì)流換熱強(qiáng)度，為有效發(fā)揮通風(fēng)路基工程措施保護(hù)凍土路基的作用奠定重要基礎(chǔ)。
【專利說明】
一種増進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及凍土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié) 構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國青藏高原、東北等多年凍土區(qū)，通過長期的演化、發(fā)展和變化，形成了厚達(dá) 幾米、甚至十幾米、各具形態(tài)的厚層地下冰。隨著氣候環(huán)境的變化、人類工程活動(dòng)的影響，導(dǎo) 致凍土和地下冰退化和融化，從而導(dǎo)致各種工程災(zāi)害的產(chǎn)生，對(duì)各種重大工程建筑穩(wěn)定性 產(chǎn)生重要影響。
[0003] 面對(duì)國家"十三五"戰(zhàn)略規(guī)劃的出臺(tái)，青藏高速公路即將面臨修筑，但是，高速公路 與普通公路相比，普通公路與鐵路相比凍土問題都更為突出。已有研究表明（俞祁浩等.我 國多年凍土區(qū)高速公路修筑關(guān)鍵問題研究.中國科學(xué)（技術(shù)科學(xué)），2014,44(4): 425~ 432)，由于黑色路面的強(qiáng)烈吸熱、瀝青路面隔水和阻止水分蒸發(fā)散熱的影響，使得相同條件 下公路路基的吸熱強(qiáng)度是鐵路的3倍多，且路基吸熱的主要途徑主要集中在路堤的中心部 位，并難以向周圍凍土散熱。而高速公路與普通公路相比，更加劇了該種現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)公 路路基寬度增加約1倍時(shí)，路堤底面的吸熱強(qiáng)度增加約0.6倍，路基吸熱進(jìn)一步聚集在路 基的中心部位，由此產(chǎn)生更加明顯的"聚熱效應(yīng)"，并導(dǎo)致凍土更加快速的退化。
[0004] 面對(duì)更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、更寬的公路路面，高速公路與凍土之間的熱作用更加顯著， 在多年凍土區(qū)修筑高速公路將會(huì)面對(duì)更為突出的凍土問題和修筑技術(shù)難題。由于傳熱途 徑、強(qiáng)度等方面的根本改變，通過青藏鐵路等獲得的成功經(jīng)驗(yàn)、先進(jìn)技術(shù)難以在青藏高速公 路建設(shè)中直接應(yīng)用。
[0005] 通過保護(hù)凍土工程措施的采用，主動(dòng)冷卻凍土基礎(chǔ)，是保證凍土工程長期安全運(yùn) 營、穩(wěn)定的關(guān)鍵途徑。而在這些措施中，有效調(diào)控凍土工程的對(duì)流換熱過程，是一種保護(hù)凍 土基礎(chǔ)的重要方法。在該領(lǐng)域，以往技術(shù)創(chuàng)新主要在于通風(fēng)路基通風(fēng)換熱方式、或通風(fēng)管與 其它措施的復(fù)合結(jié)構(gòu)等方面的創(chuàng)新，如："復(fù)合溫控通風(fēng)路基"（專利號(hào):ZL200410002135.8) 主要針對(duì)路基不同季節(jié)換熱方式的創(chuàng)新，通過抑制暖季熱量的影響，到達(dá)增強(qiáng)降溫效能的 目的；"復(fù)合通風(fēng)聚冷路基"（專利號(hào)：200510043153.5)，通過通風(fēng)管與塊石的層的組合，通 過改善塊石層對(duì)流換熱、導(dǎo)熱的工作條件，達(dá)到整體主動(dòng)冷卻路基的目的。但是，關(guān)于通風(fēng) 管通風(fēng)換熱效能方面的創(chuàng)新技術(shù)尚未欠缺。
[0006] 對(duì)流換熱面換熱效能的迪圖斯貝爾特公式：
[0008]其中：h為對(duì)流換熱系數(shù)，λ為靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，L 為特征長度，μ為動(dòng)力粘度，Cp為定壓比熱容，p空氣密度，v為運(yùn)動(dòng)速度，1為特征長度。
[0009] 由公式可以看到，在預(yù)制混凝土通風(fēng)管管壁粗糙度相對(duì)穩(wěn)定，在空氣物理性質(zhì)和 管道的管徑不變的情況下，換熱系數(shù)主要取決于通風(fēng)管內(nèi)空氣流速。且換熱系數(shù)與空氣流 速成正比關(guān)系，即增加管內(nèi)流速是提高換熱系數(shù)，是增加換熱強(qiáng)度的最有效方法。因此，本 實(shí)用新型最主要針對(duì)的就是改善通風(fēng)管內(nèi)部空氣流動(dòng)過程、增強(qiáng)空氣流速這一問題而進(jìn) 行。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、穩(wěn)定性好的增進(jìn)通風(fēng)管路基 通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)。
[0011] 為解決上述問題，本實(shí)用新型所述的一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，其特 征在于:該結(jié)構(gòu)為埋設(shè)在路堤邊坡一側(cè)或兩側(cè)位置的鴨嘴型管口；所述鴨嘴型管口包括呈 封閉的頂面、呈開口的外截面和底截面，并與通風(fēng)直管相接，其整體外形最大截面水平寬度 為所述通風(fēng)直管的1~3倍;所述外截面垂直于所述通風(fēng)直管的軸線。
[0012] 所述頂面為曲面、半圓面、平面中的一種或兩種及以上組合。
[0013] 所述外截面的外形呈拋物線、半圓、長方形中的任意一種，且截面傾角為10°~ 90。。
[0014]所述底截面距離所述通風(fēng)直管底面的高度為所述通風(fēng)直管直徑的0~1.5倍。
[0015] 所述底截面沿所述通風(fēng)直管軸線的長度為所述通風(fēng)直管直徑的0~2倍。
[0016] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 1、通風(fēng)管內(nèi)空氣流速的顯著增加。
[0018] 本實(shí)用新型有效消除原有直管入口形狀導(dǎo)致的空氣擾流、振動(dòng)耗能、流速下降等 問題，通過入口通風(fēng)管形狀的改變、入口部分空氣壓力的增加、流入條件的改善，有效減少 了空氣的波動(dòng)性和能量損耗，同時(shí)增加了空氣進(jìn)入通風(fēng)管的動(dòng)力和流量，由此顯著增加了 管內(nèi)空氣的流速。與普通通風(fēng)管路基相比，增加管內(nèi)流量20%_40%，對(duì)通風(fēng)管的對(duì)流換熱效 能提尚明顯。
[0019] 2、通風(fēng)管對(duì)流換熱效能的增強(qiáng)。
[0020] 首先，由于通風(fēng)管內(nèi)空流速的增加，有效增加通風(fēng)管內(nèi)空氣與通風(fēng)管管壁的換熱 強(qiáng)度;其次，由于空氣流量的增加，路堤整體的換熱強(qiáng)度隨之增加。
[0021] 3、工程效果的顯著改善。
[0022] 由于以往技術(shù)采用直管入口方式，會(huì)導(dǎo)致空氣在通風(fēng)管入口段的波動(dòng)性和換熱性 最強(qiáng)，隨距離管口深度的增加而減弱。同時(shí)，由于空氣在通風(fēng)管入口段溫度最低，由此導(dǎo)致 通風(fēng)管內(nèi)空氣換熱過程在入口段最強(qiáng)的現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致通風(fēng)路堤整體地溫場(chǎng)的不對(duì)稱。 而本實(shí)用新型提高了對(duì)通風(fēng)管入口空氣導(dǎo)流效能，減小了入口段空氣波動(dòng)性，平衡了通風(fēng) 管整體的換熱過程，緩解了地溫場(chǎng)的不對(duì)稱，同時(shí)減少了路堤陰陽坡效應(yīng)的產(chǎn)生。
[0023] 4、凍土工程穩(wěn)定性的有效增加。
[0024]首先，由于對(duì)流換熱效能的增強(qiáng)，在很大程度增加了該種措施對(duì)凍土路基的降溫 效能，由于凍土路基地溫的下降，凍土基礎(chǔ)的強(qiáng)度得以增強(qiáng)。其次，由于地溫場(chǎng)對(duì)稱性的增 強(qiáng)，高等級(jí)公路所要求的整體、均勻降溫的技術(shù)要求被進(jìn)一步增強(qiáng)，由此進(jìn)一步增加了凍土 路基的穩(wěn)定性。
[0025] 5、建設(shè)成本的降低。
[0026]由于效能較大程度的增加，較大的通風(fēng)管之間的間距也可以達(dá)到以往較小間距的 降溫效果。因此，在實(shí)際工程中，如果采用該種通風(fēng)結(jié)構(gòu)方式，可以在相同降溫效果下減少 通風(fēng)管風(fēng)管的使用數(shù)量，由此減少建設(shè)成本，提高工程建設(shè)速度。
[0027] 6、廣泛的應(yīng)用范圍。
[0028] 由于本實(shí)用新型僅為通風(fēng)管管口實(shí)用新型技術(shù)，不僅可以用于在建通風(fēng)管路基工 程，而且也可以用于已建通風(fēng)管路基工程，因此具有更廣泛的應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0030]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0031 ]圖2為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖3為本實(shí)用新型半圓口與直管結(jié)合示意圖。
[0033] 圖4為本實(shí)用新型長方形口與直管結(jié)合示意圖。
[0034] 圖5為普通通風(fēng)管路基管口附近流線圖。
[0035] 圖6為本實(shí)用新型通風(fēng)管路基管口附近流線圖。
[0036] 圖7為普通通風(fēng)管和本實(shí)用新型通風(fēng)管在不同外界風(fēng)速條件下，通風(fēng)管管內(nèi)空氣 流速對(duì)比圖。
[0037] 圖中：1一鴨嘴型管口 2-頂面3-外截面4一底截面5-通風(fēng)直管6-一 體化結(jié)構(gòu)7-半圓8-長方形。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 如圖1所示，一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為埋設(shè)在路堤邊坡一側(cè) 或兩側(cè)位置的鴨嘴型管口 1。
[0039] 鴨嘴型管口 1包括呈封閉的頂面2、呈開口的外截面3和底截面4,并與通風(fēng)直管5相 接，其整體外形最大截面水平寬度為通風(fēng)直管5的1~3倍;外截面3垂直于通風(fēng)直管5的軸 線。
[0040] 其中：
[0041] 頂面2為曲面、半圓面、平面中的一種或兩種及以上組合。
[0042]外截面3的外形呈拋物線、半圓、長方形中的任意一種，且截面傾角為10°~90°。 [0043]底截面4距離通風(fēng)直管5底面的高度為通風(fēng)直管5直徑的0~1.5倍。
[0044] 底截面4沿通風(fēng)直管5軸線的長度為通風(fēng)直管5直徑的0~2倍。
[0045] 當(dāng)鴨嘴型管口 1為一體化結(jié)構(gòu)6時(shí)，如圖2所示。
[0046] 當(dāng)頂面為半圓7時(shí)，與通風(fēng)直管5的組合如圖3所示。
[0047] 當(dāng)頂面為平面、外截面3為長方形8的組合如圖4所示。
[0048] 使用時(shí)，將本實(shí)用新型埋設(shè)在路堤邊坡一側(cè)或兩側(cè)位置。
[0049]本實(shí)用新型的工作原理是：
[0050]首先通過改變通風(fēng)管管口的形狀，在相同外部風(fēng)速，風(fēng)向的條件下，通過提高入口 空氣壓力、改善空氣流動(dòng)途徑、減少管口空氣局部能量損失，從而增加管內(nèi)空氣的流速和流 量。由此改善通風(fēng)管內(nèi)管壁的對(duì)流換熱強(qiáng)度，增加整體路基的換熱和降溫;其次，改變了的 管口形狀和空氣流動(dòng)過程，減小入口處空氣的紊流強(qiáng)度，同時(shí)也減小了入口段的空氣換熱 強(qiáng)度、有效避免空氣冷能的損耗，由此增強(qiáng)通風(fēng)管中段、出口段對(duì)流換熱強(qiáng)度，減小了換熱 沿風(fēng)速方向的不對(duì)稱性，提尚路基的穩(wěn)定性。
[0051]本實(shí)用新型具體應(yīng)用實(shí)例1:
[0052]參照附圖1，一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，選用整體式鴨嘴通風(fēng)管口結(jié) 構(gòu)，頂面為封閉具有流線特征的曲面。通風(fēng)管直管5部分直徑為0.4m，鴨嘴型管口最大直徑 為0.8m。
[0053]外截面3的輪廓線為拋物線，截面傾角為21.8°。
[0054]鴨嘴型管口底截面4的高度為直管5直徑的1倍。沿通風(fēng)管軸線的長度為直管5直徑 的1倍。
[0055] 為驗(yàn)證本實(shí)用新型的有效性，進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬計(jì)算。模型路堤所取尺寸為路 面寬度13.0m，填土高度3.0m，護(hù)坡坡度為1:1.5，通風(fēng)管軸線高度為lm。參數(shù)的選取根據(jù)青 藏高原北麓河氣象站和青藏高等級(jí)公路試驗(yàn)段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取平均大氣壓為57.7kPa，密度 0 · 737kg/m3，空氣粘度 1 · 75 X 10-5Pa. s，環(huán)境溫度 273K。
[0056] 在相同的邊界條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果對(duì)比：一組為鴨嘴通風(fēng)管路基， 一組為普通直管通風(fēng)管管口路基。數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果如圖5~7所示。
[0057] 圖5和圖6分別是本實(shí)用新型通風(fēng)管路基和普通通風(fēng)管路基在外界自然風(fēng)速5m/s 條件下，通風(fēng)管管口附近的流線圖。從圖5和圖6對(duì)比可以看到，本實(shí)用新型通風(fēng)管口有效改 善入口段空氣的流動(dòng)過程，減小了邊界層分離程度，流線更加平緩，曲率更大。圖6表明流體 通過繞流進(jìn)入管內(nèi)造成的局部損失減小，在相同外界自然風(fēng)速的條件下流入管內(nèi)的流量更 大。
[0058] 圖7為本實(shí)用新型通風(fēng)管路基和普通通風(fēng)管路基在不同外界風(fēng)速的條件下，管內(nèi) 風(fēng)速的對(duì)比。圖中可以看出，在相同外界條件下，本實(shí)用新型通風(fēng)管比普通通風(fēng)管路基管內(nèi) 流速大20%~40%左右。
[0059] 因此，通過本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以有效改善通風(fēng)管入口段的空氣流場(chǎng)條件， 顯著增大通風(fēng)管管內(nèi)空氣的流速和通風(fēng)管路基的對(duì)流換熱強(qiáng)度，為有效發(fā)揮通風(fēng)路基工程 措施保護(hù)凍土路基的作用奠定重要基礎(chǔ)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，其特征在于：該結(jié)構(gòu)為埋設(shè)在路堤邊坡一側(cè) 或兩側(cè)位置的鴨嘴型管口（1);所述鴨嘴型管口（1)包括呈封閉的頂面(2)、呈開口的外截面 (3)和底截面(4)，并與通風(fēng)直管（5)相接，其整體外形最大截面水平寬度為所述通風(fēng)直管 (5)的1~3倍;所述外截面(3)垂直于所述通風(fēng)直管(5)的軸線。2. 如權(quán)利要求1所述的一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述頂面 (2) 為曲面、半圓面、平面中的一種或兩種及以上組合。3. 如權(quán)利要求1所述的一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述外截面 (3) 的外形呈拋物線、半圓、長方形中的任意一種，且截面傾角為10°~90°。4. 如權(quán)利要求1所述的一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述底截面 (4) 距離所述通風(fēng)直管(5)底面的高度為所述通風(fēng)直管(5)直徑的0~1.5倍。5. 如權(quán)利要求1所述的一種增進(jìn)通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述底截面 (4)沿所述通風(fēng)直管(5)軸線的長度為所述通風(fēng)直管(5)直徑的0~2倍。
【文檔編號(hào)】E02D27/35GK205557222SQ201620205076
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】李曉寧, 俞祁浩, 郭磊
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所