基于ANSYS的化雪融冰装置性能分析及优化
冬季冰雪是影响道路交通安全、道路运输效率的一个重要因素，道路冰雪给全球多个国家和地区带来了重大的经济损失，因此，开展道路融雪化冰技术研究，研制性能优越的化雪融冰装置对改善冬季道路的交通状况具有重要的意义。在热力融雪化冰方面，我国的研究还处于起步阶段，技术不是很成熟，故如何提高化雪融冰装置的性能是研究的关键。 本文以流体力学和传热学的相关知识为基础，结合工程实际要求，利用有限元软件ANSYS中的流体分析模块和热分析模块对某化雪融冰装置内的流场和温度场以及冰层融化的相变过程进行模拟研究，以期对化雪融冰装置的性能进行优化。总体来说，本文主要进行了如下三个方面的研究。 首先，建立了化雪融冰装置流体域分析模型，借助ANSYS中的FLUENT模块对化雪融冰装置内的流场和温度场进行了数值模拟，得到了装置内部气流流线图以及下端喷口处温度场分布云图。分析结果表明：两股混合气流在流经火罩后方时，由于火罩和燃烧室的共同作用，混合气流被分割成两部分，对于喷口前端，到达其两端与中间部分的热气流很少，且部分气流遭遇冰面阻挡后反向弹回，致使化雪融冰装置喷口处温度相对较低且温度场分布不均匀，达不到化雪融冰装置性能的要求。为此，对化雪融冰装置的结构进行了改进，并对改进前后的结果进行对比分析，分析结果表明改进后的温度场分布更为合理。 其次，着重探究了涡流风机流速对下端喷口处温度场的影响。研究发现，在一定范围内，随着涡流风机流速的降低，化雪融冰装置下端喷口处的平均温度有显著提高，但当涡流风机的流速低于一定值时，平均温度反而有所下降，原因在于流速太低时，混合气流得不到充分混合，致使下部温度场分布不均匀，整体平均温度降低。由此可知，可根据工程实际的要求调节风机流速，进而控制化雪融冰装置下端喷口处的温度。 最后，建立了冰层的相变分析模型，利用ANSYS中的热分析模块模拟了冰层相变时内部温度场的变化以及冰面以下不同厚度处冰层温度随时间的变化，并研究了不同因素（外界环境温度、化雪融冰装置的加热温度、冰层厚度等）对融冰效果的影响。研究发现，加热温度和冰层厚度对融冰效果的影响极为明显，由此可知，提高化雪融冰装置的加热温度和在热力融冰之前先进行机械除冰是很有必要的，并通过有限元计算确定了不同厚度冰层、雪层与融雪车作业车速的关系。
道路安全;化雪融冰装置;性能分析;ANSYS仿真;数值模拟
山东理工大学
硕士
车辆工程
石沛林;王军伟
2013
中文
U418.56
65
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）