基于cfd的道路除冰车蒸汽射流装置分析与优化

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1、华中科技大学硕士学位论文第1章绪论1.1研究背景冬季降雪和冻雨天气时有发生，由此引发的道路积雪和结冰给车辆和行人带来较大的安全隐患，极易引发交通事故，威胁人身财产安全，严重影响人们正常的生产、生活秩序，这早已成为全世界公认的交通危害[1]。我国幅员辽阔，地势复杂，气象灾害时有发生。在我国国土中所占面积较大的温带地区，冬季经常发生降雪、冻雨等天气：其中北方地区冬季一般持续约5～6个月时间，而内蒙古、新疆、辽宁、吉林、黑龙江等省份的个别地区冬季甚至长达8个月之久，部分地区还会有冻雨[2]。与此同时，近年

2、来我国中部及南方地区（湖北、湖南、贵州、广西等地）也时常受极端气候天气的影响，冬季降雪、冻雨等低温天气也愈发常见[3]。这些地区由于降雪不能及时、有效的清除，经过多次降雪以及车辆和行人反复碾压后，路面将会形成压实雪、结冰（冻雨在低温情况下会直接结冰），随着时间推移这些问题变得越来越严重。道路表层发生积雪、结冰后，其表面附着力将显著降低（干燥混凝土水泥路面的附着系数达0.8以上，而路面冰层的附着系数不到0.1[4]），极大程度的影响车辆牵引、转向、制动等性能，极易引发安全事故。在铺装路面，尤其是坡道、

3、转弯、交叉路口、机场跑道、高速公路等路面，道路积雪积冰常常导致交通滞留，甚至引起交通堵塞，导致严重的交通事故，直接危害人民群众人身财产安全，造成严重的经济损失。这种情况在国内外时有发生[5]。2005年12月，山东威海等地遭遇持续特大暴风雪，造成道路交通瘫痪，直接经济损失达317亿元[6]；2008年1月，在湖南、贵州、广西等地发生的雪灾、冻雨仍让人记忆犹新，大量返乡旅客滞留，直接经济损失达62亿元；2012年1月下旬至2月中旬，受北极涛动以及拉尼娜现象影响，亚洲北部的日本、蒙古、哈萨克斯坦等国家以

4、及欧洲大部分国家发生了极端寒冷事件，造成多起严重交通事故，愈百人丧生（不完全统计），高速公路被迫封锁[7]；2014年1月，北极寒流席卷美国过半城市，根据美国媒体报道，1万方数据华中科技大学硕士学位论文寒流天气造成至少13人死亡，大部分系交通事故所致[8]。美国马奎特大学MarquetteUniversity通过对全世界主要大中城市发生的道路交通事故进行调查、统计得出结论：因道路结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的35%以上，而有效的除雪、除冰将可直接降低事故发生率87%以上[9]。如何及时、有效

5、的清除道路冰雪有着十分重要、迫切的现实意义。截至2012年底，我国高速公路总里程达9.6万公里，高架桥2000座以上，建成民用、军用机场几百座[10]，而未来我国公路总里程数将达到580万公里左右，这些领域都亟需专门应对冰雪等天气的应急救援设备[11]。保守估计，我国每年新增的高等级公路、城市主干道所需的除雪除冰车的数量将达到500台左右。开发适应我国国情的道路除雪除冰车将有着十分直接的社会意义及经济效益，将为保障道路通勤、应急救援、物流通畅、人民群众的人身财产安全发挥不可估量的社会效益。1.2国内

6、外研究现状为保证冰雪天气下的交通安全，国内外针对道路除雪除冰下足了功夫，目前国际上通用的道路除冰雪技术大体可分为路面内部除冰雪技术和路面外部除冰雪技术，各种除冰方法有着相应的优缺点和适应范围[12]。1.2.1路面内部除冰雪技术路面外部除冰雪技术主要从路面外部入手，借助外力(机械、化学、热力等)进行除冰雪作业；而路面内部除冰技术主要从道路本身入手，从道路“内部”解决道路冰雪问题，如地热/太阳能融冰技术、发热电缆融冰技术、路面铺装技术等[13]。地热/太阳能融冰技术：如图1.1所示，主要利用太阳能、地

7、热对道路表面进行加热，在道路表面铺设太阳能采集系统，而在土壤底层铺设蓄热系统；在冬季需要进行除雪除冰作业时，将热量提升至路面，从而实现融冰、化雪[14]；瑞士科学家在国家8号公路上的一座桥梁进行了相关技术的试验，包括前期费用在内的总造价约300万美元，同时还存在运行可靠性等问题，对地热资源的要求也较高[15]。2万方数据华中科技大学硕士学位论文图1.1地热/太阳能融冰图1.2发热电缆融冰发热电缆融冰技术：如图1.2所示，主要在道路近表层铺设金属类、聚合物类等导电组分材料，在降雪结冰季节，通过将电能转

8、化为热能来除雪除冰[16]。目前这种方式主要应用在降雪较多的国家，如日本等国家[17]。北京工业大学的武海琴对将发热电缆应用在路面除雪除冰领域进行了研究，并取得了一定的研究性成果[18]。路面铺装技术：在进行道路铺装时，在表面材料中掺入一定量的辅助材料（如橡胶颗粒等，如图1.3所示），从而提高路面弹性，改变冰雪与路面的粘接状态，在车轮的反复碾压下，利用加载的局部应力使冰雪与路面脱离[19][20]。目前这种方式在国际上已经取得一定的成果，我国也于2006年完成类似项目