大型泵站混凝土底板冷却水管布置方案研究
陈 伟１， 张燎军１， 卢 斌１， 白莉萍２， 张 洋２， 陈亚军２
（ ） １．河海大学 水利水电学院 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ８； ２．徐州市水利建筑设计研究院 ，江苏 徐州 ２ ２ １ ０ ０ ２ “ 摘要 ：针对泵站混凝土底板浇筑后早期表面易产生拉 应 力 、 由表及里” 开 裂 风 险 的 问 题， 利用非线性有限元 分 析 了 冷 却 水 温、 通 水 流 量、 水管材 软件 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ Ｆ Ｅ Ａ 研究了埋设有冷却水管的泵站底板三维 非 稳 定 温 度 场 ， 质、 管径 、 管距及单根水管长度对冷却效果的影响 ， 并综合考虑冷却效果和工程成本 ， 提出了较为合理 、 经济的 布置方案 。 关键词 ：混凝土底板 ；冷却水管 ；冷却效果 ；布置方案 ；Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ Ｆ Ｅ Ａ 中图分类号 ： ＴＶ ３ ３ １； Ｔ Ｐ ３ ０ １ 文献标志码 ： Ｂ
［ ５］
ｚ）不稳定温度场 Ｔ 须满足热传导控制方程
：
Ｔ λ Ｔ Ｔ Ｔ θ （ ） ｚ ＝ ｘ， ｙ， ∈Ｒ ２ ＋ ２ ＋ ２ ＋ ｘ ｚ ｃ ｙ τ ρ τ （ ） １
（
２
２
２
）
式中 ， τ 为时间 ； λ 为混凝 土 导 热 系 数； ρ为混凝土 密度 ； ｃ 为混凝土比热容 ； θ 为混凝土的绝热温升 。 １． ２ 冷却水管的模拟及计算原理
第３ ０卷 第１期 ２ ０ １ ２年１月 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ７ ７ ０ ９ ２ ０ １ ２ ０ １ ０ １ ７ ０ ０ ５ － － －
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０Ｎ ｏ ． １ Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ２
１． １ 混凝土非稳定温度场控制方程 取混凝土温度场计算域 Ｒ 内任意一点 （ ｘ， ｙ，
冷却水 Ｔｓ， Ｔｗ， ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ、 ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ分 别 为 进 口 和 出 口 管 壁 、 ｇ ｇ 的平均温度 ； Ｄ 为水 管 直 径 ； ｌ为 水 管 进 口 与 出 口 ； 之间 的 长 度 （ 管 冷 单 元 长 度） Ｔｓ， Ｔｓ， ｉ ｎ、 ｏ ｕ ｔ分 别 为 进、 出口管壁温度； 出口 Ｔｗ， Ｔｗ， ｉ ｎ、 ｏ ｕ ｔ分别为冷却水进 、 温度。 ） ， ， Ｑｗ ｃ Ｔｗ， Ｔｗ， ３ ｑ ｑ ｑ ｃ ｏ ｏ ｌ＝ ｃ ｏ ｏ ｌ ｏ ｕ ｔ－ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ＝ ｗ ｗ（ ｏ ｕ ｔ－ ｉ ｎ）（ ρ 式中 ， ｑ ｃ ｏ ｏ ｌ为 冷 却 水 在 流 动 过 程 中 获 得 的 热 能 ； 进口时的热 ， ， ｑ ｑ ｃ ｏ ｏ ｌ ｏ ｕ ｔ、 ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ分 别 为 冷 却 水 在 出 口 、 能； Ｑｗ 为 冷 却 水 流 量 ； ｃ ｗ 为 冷 却 水 密 度； ｗ 为冷 ρ 却水比热 。 根据能量守恒原理 ， 式（ 与式（ 相等时可 ２） ３）
第３ ０ 卷第 １ 期
陈 伟等 ： 大型泵站混凝土底板冷却水管布置方案研究
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２～４］ 。 鉴 此， 成为非常 复 杂 的 三 维 非 稳 定 温 度 场 ［
冷却水管 ， 即在需 布 置 冷 却 水 管 位 置 寻 找 混 凝 土 自动生成管冷单元 ， 路径方向为冷却水 单元节点 ， 流向 ， 冷却水与混凝土的热量交换见图 １。
本文 利 用 三 维 高 度 非 线 性 有 限 元 软 件 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ Ｆ Ｅ Ａ 模拟和计 算 了 大 尺 寸 混 凝 土 底 板 埋 设 冷 却 水管 的 温 度 场 ， 深 入 研 究 了 冷 却 水 温、 通 水 流 量、 水管材质 、 管径 、 管距及单根水管长度对冷却效果 的影响 ， 为大体积 混 凝 土 结 构 设 计 和 计 算 提 供 了 参考依据 。
图 １ 冷却水管热量交换示意图 Ｆ ｉ １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ． ｇ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｐ ｐ
在冷却边界上应满足牛顿冷却方程 ， 即：
Ａｗ （ Ｔｓ， ＝ ｑ ｓ ｕ ｌ ｗ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ －Ｔｗ， ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ） ｐ ｐ ｙ ＝ｈ ｇ ｇ
［］ 本文利用 Ｍ ｉ ｄ ａ ｓ Ｆ Ｅ Ａ 中管冷单元 ６ 来模拟
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ ８ ０ ８ ２ ０ １ １ １ ０ １ １ － － － － ， ： 作者简介பைடு நூலகம்：陈伟 （ 男， 硕士研究生 ， 研究方向为水工大体积及薄壁混凝土 结 构 温 控 防 裂 ， １ ９ ８ ７ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ Ｔ ｉ ｍ ｉ ｄ ａ ｂ ｂ ｉ ｔ －） －Ｒ ｏ ｔ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ ＠Ｈ
， Ｔｓ， Ｔｗ， ｉ ｎ ＋Ｔ ｓ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ＋Ｔｗ， ｏ ｕ ｔ （ ） ２ － ２ ２ 式中 ， ｈｗ ｑ ｓ ｕ ｌ ｐ ｐ ｙ为 混 凝 土 结 构 传 导 冷 却 水 的 热 量 ； ； 为 冷 却 边 界 上 放 热 系 数； 为 水 管 表 面 积 Ａｗ
ｈｗπ Ｄ ｌ
（
）
１ 计算理论与方法
南水北调东线工程睢宁二站混凝土底板顺河 横河向宽３ 竖 直 向 厚１． 向长 ３ ３． ５ ｍ、 １． ８ ｍ、 ５～ 底板尺寸超过了《 泵 站 设 计 规 范》 的规 ３． ３ ｍ， ［ １］ 定 ， 因而施工期泵站底板的温控防裂十分重要 。 水管冷却为目前 大 体 积 混 凝 土 温 控 防 裂 最 常 用 、 有效的技术之一 。 但由于混凝土内部产生的水化 热、 混凝土表面与空气的热交换 、 水管中冷却水的 流动 、 水管水温沿程的不断变化 ， 使混凝土温度场