本發(fā)明涉及凍土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種增進通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的方法。

背景技術(shù)：

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，對各種重大工程建筑穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

面對國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃的出臺，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)。當公路路基寬度增加約1倍時，路堤底面的吸熱強度增加約0.6倍，路基吸熱進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。

面對更高的技術(shù)標準、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)修筑高速公路將會面對更為突出的凍土問題和修筑技術(shù)難題。由于傳熱途徑、強度等方面的根本改變，通過青藏鐵路等獲得的成功經(jīng)驗、先進技術(shù)難以在青藏高速公路建設(shè)中直接應(yīng)用。

通過保護凍土工程措施的采用，主動冷卻凍土基礎(chǔ)，是保證凍土工程長期安全運營、穩(wěn)定的關(guān)鍵途徑。而在這些措施中，有效調(diào)控凍土工程的對流換熱過程，是一種保護凍土基礎(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：zl200410002135.8）主要針對路基不同季節(jié)換熱方式的創(chuàng)新，通過抑制暖季熱量的影響，到達增強降溫效能的目的；“復(fù)合通風(fēng)聚冷路基”（專利號：200510043153.5），通過通風(fēng)管與塊石的層的組合，通過改善塊石層對流換熱、導(dǎo)熱的工作條件，達到整體主動冷卻路基的目的。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。

對流換熱面換熱效能的迪圖斯貝爾特公式：

其中：h為對流換熱系數(shù)，λ為靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，re為雷諾數(shù)，pr為普朗特數(shù)，l為特征長度，μ為動力粘度，cp為定壓比熱容，ρ空氣密度，v為運動速度，l為特征長度。

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)，是增加換熱強度的最有效方法。因此，本發(fā)明最主要針對的就是改善通風(fēng)管內(nèi)部空氣流動過程、增強空氣流速這一問題而進行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、穩(wěn)定性好的增進通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的方法。

為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種增進通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的方法，其特征在于：該方法是指在路堤邊坡一側(cè)或兩側(cè)的位置埋設(shè)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。

所述頂面為曲面、半圓面、平面中的一種或兩種及以上組合。

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°。

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。

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。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、通風(fēng)管內(nèi)空氣流速的顯著增加。

本發(fā)明有效消除原有直管入口形狀導(dǎo)致的空氣擾流、振動耗能、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性和能量損耗，同時增加了空氣進入通風(fēng)管的動力和流量，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%，對通風(fēng)管的對流換熱效能提高明顯。

2、通風(fēng)管對流換熱效能的增強。

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)管管壁的換熱強度；其次，由于空氣流量的增加，路堤整體的換熱強度隨之增加。

3、工程效果的顯著改善。

由于以往技術(shù)采用直管入口方式，會導(dǎo)致空氣在通風(fēng)管入口段的波動性和換熱性最強，隨距離管口深度的增加而減弱。同時，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的現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致通風(fēng)路堤整體地溫場的不對稱。而本發(fā)明提高了對通風(fēng)管入口空氣導(dǎo)流效能，減小了入口段空氣波動性，平衡了通風(fēng)管整體的換熱過程，緩解了地溫場的不對稱，同時減少了路堤陰陽坡效應(yīng)的產(chǎn)生。

4、凍土工程穩(wěn)定性的有效增加。

首先，由于對流換熱效能的增強，在很大程度增加了該種措施對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)的強度得以增強。其次，由于地溫場對稱性的增強，高等級公路所要求的整體、均勻降溫的技術(shù)要求被進一步增強，由此進一步增加了凍土路基的穩(wěn)定性。

5、建設(shè)成本的降低。

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到以往較小間距的降溫效果。因此，在實際工程中，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。

6、廣泛的應(yīng)用范圍。

由于本發(fā)明僅為通風(fēng)管管口發(fā)明技術(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

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明半圓口與直管結(jié)合示意圖。

圖4為本發(fā)明長方形口與直管結(jié)合示意圖。

圖5為普通通風(fēng)管路基管口附近流線圖。

圖6為本發(fā)明通風(fēng)管路基管口附近流線圖。

圖7為普通通風(fēng)管和本發(fā)明通風(fēng)管在不同外界風(fēng)速條件下，通風(fēng)管管內(nèi)空氣流速對比圖。

圖中：1—鴨嘴型管口2—頂面3—外截面4—底截面5—通風(fēng)直管6—一體化結(jié)構(gòu)7—半圓8—長方形。

具體實施方式

如圖1所示，一種增進通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的方法，該方法是指在路堤邊坡一側(cè)或兩側(cè)的位置埋設(shè)鴨嘴型管口1。

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。

其中：

頂面2為曲面、半圓面、平面中的一種或兩種及以上組合。

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°。

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。

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。

當鴨嘴型管口1為一體化結(jié)構(gòu)6時，如圖2所示。

當頂面為半圓7時，與通風(fēng)直管5的組合如圖3所示。

當頂面為平面、外截面3為長方形8的組合如圖4所示。

使用時，將本發(fā)明埋設(shè)在路堤邊坡一側(cè)或兩側(cè)位置。

本發(fā)明的工作原理是：

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)管壁的對流換熱強度，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過程，減小入口處空氣的紊流強度，同時也減小了入口段的空氣換熱強度、有效避免空氣冷能的損耗，由此增強通風(fēng)管中段、出口段對流換熱強度，減小了換熱沿風(fēng)速方向的不對稱性，提高路基的穩(wěn)定性。

本發(fā)明具體應(yīng)用實例1：

參照附圖1，一種增進通風(fēng)管路基通風(fēng)效能的方法，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。

外截面3的輪廓線為拋物線，截面傾角為21.8°。

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。

為驗證本發(fā)明的有效性，進行了數(shù)值仿真模擬計算。模型路堤所取尺寸為路面寬度13.0m，填土高度3.0m，護坡坡度為1：1.5，通風(fēng)管軸線高度為1m。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公路試驗段實測數(shù)據(jù)，取平均大氣壓為57.7kpa，密度0.737kg/m3，空氣粘度1.75×10-5pa﹒s，環(huán)境溫度273k。

在相同的邊界條件下進行了數(shù)值模擬計算的結(jié)果對比：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)值仿真計算結(jié)果如圖5~7所示。

圖5和圖6分別是本發(fā)明通風(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對比可以看到，本發(fā)明通風(fēng)管口有效改善入口段空氣的流動過程，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。

圖7為本發(fā)明通風(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)速的對比。圖中可以看出，在相同外界條件下，本發(fā)明通風(fēng)管比普通通風(fēng)管路基管內(nèi)流速大20%~40%左右。

因此，通過本發(fā)明的應(yīng)用，可以有效改善通風(fēng)管入口段的空氣流場條件，顯著增大通風(fēng)管管內(nèi)空氣的流速和通風(fēng)管路基的對流換熱強度，為有效發(fā)揮通風(fēng)路基工程措施保護凍土路基的作用奠定重要基礎(chǔ)。