一种增进通风管路基通风效能的结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种增进通风管路基通风效能的结构，该结构为埋设在路堤边坡一侧或两侧位置的鸭嘴型管口。所述鸭嘴型管口包括呈封闭的顶面、呈开口的外截面和底截面，并与通风直管相接，其整体外形最大截面水平宽度为所述通风直管的1~3倍；所述外截面垂直于所述通风直管的轴线。本实用新型可以有效改善空气在通风管入口段的流场条件，显著增大通风管管内空气的流速和通风管路基的对流换热强度，为有效发挥通风路基工程措施保护冻土路基的作用奠定重要基础。
【专利说明】
一种増进通风管路基通风效能的结构
技术领域
[0001] 本实用新型涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种增进通风管路基通风效能的结 构。
【背景技术】
[0002] 在我国青藏高原、东北等多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，形成了厚达 几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，导 致冻土和地下冰退化和融化，从而导致各种工程灾害的产生，对各种重大工程建筑稳定性 产生重要影响。
[0003] 面对国家"十三五"战略规划的出台，青藏高速公路即将面临修筑，但是，高速公路 与普通公路相比，普通公路与铁路相比冻土问题都更为突出。已有研究表明（俞祁浩等.我 国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究.中国科学（技术科学），2014,44(4): 425~ 432)，由于黑色路面的强烈吸热、沥青路面隔水和阻止水分蒸发散热的影响，使得相同条件 下公路路基的吸热强度是铁路的3倍多，且路基吸热的主要途径主要集中在路堤的中心部 位，并难以向周围冻土散热。而高速公路与普通公路相比，更加剧了该种现象的出现。当公 路路基宽度增加约1倍时，路堤底面的吸热强度增加约0.6倍，路基吸热进一步聚集在路 基的中心部位，由此产生更加明显的"聚热效应"，并导致冻土更加快速的退化。
[0004] 面对更高的技术标准、更宽的公路路面，高速公路与冻土之间的热作用更加显著， 在多年冻土区修筑高速公路将会面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。由于传热途 径、强度等方面的根本改变，通过青藏铁路等获得的成功经验、先进技术难以在青藏高速公 路建设中直接应用。
[0005] 通过保护冻土工程措施的采用，主动冷却冻土基础，是保证冻土工程长期安全运 营、稳定的关键途径。而在这些措施中，有效调控冻土工程的对流换热过程，是一种保护冻 土基础的重要方法。在该领域，以往技术创新主要在于通风路基通风换热方式、或通风管与 其它措施的复合结构等方面的创新，如："复合温控通风路基"（专利号:ZL200410002135.8) 主要针对路基不同季节换热方式的创新，通过抑制暖季热量的影响，到达增强降温效能的 目的；"复合通风聚冷路基"（专利号：200510043153.5)，通过通风管与块石的层的组合，通 过改善块石层对流换热、导热的工作条件，达到整体主动冷却路基的目的。但是，关于通风 管通风换热效能方面的创新技术尚未欠缺。
[0006] 对流换热面换热效能的迪图斯贝尔特公式：
[0008]其中：h为对流换热系数，λ为静止空气的导热系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，L 为特征长度，μ为动力粘度，Cp为定压比热容，p空气密度，v为运动速度，1为特征长度。
[0009] 由公式可以看到，在预制混凝土通风管管壁粗糙度相对稳定，在空气物理性质和 管道的管径不变的情况下，换热系数主要取决于通风管内空气流速。且换热系数与空气流 速成正比关系，即增加管内流速是提高换热系数，是增加换热强度的最有效方法。因此，本 实用新型最主要针对的就是改善通风管内部空气流动过程、增强空气流速这一问题而进 行。 【实用新型内容】
[0010] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种成本低、稳定性好的增进通风管路基 通风效能的结构。
[0011] 为解决上述问题，本实用新型所述的一种增进通风管路基通风效能的结构，其特 征在于:该结构为埋设在路堤边坡一侧或两侧位置的鸭嘴型管口；所述鸭嘴型管口包括呈 封闭的顶面、呈开口的外截面和底截面，并与通风直管相接，其整体外形最大截面水平宽度 为所述通风直管的1~3倍;所述外截面垂直于所述通风直管的轴线。
[0012] 所述顶面为曲面、半圆面、平面中的一种或两种及以上组合。
[0013] 所述外截面的外形呈抛物线、半圆、长方形中的任意一种，且截面倾角为10°~ 90。。
[0014]所述底截面距离所述通风直管底面的高度为所述通风直管直径的0~1.5倍。
[0015] 所述底截面沿所述通风直管轴线的长度为所述通风直管直径的0~2倍。
[0016] 本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
[0017] 1、通风管内空气流速的显著增加。
[0018] 本实用新型有效消除原有直管入口形状导致的空气扰流、振动耗能、流速下降等 问题，通过入口通风管形状的改变、入口部分空气压力的增加、流入条件的改善，有效减少 了空气的波动性和能量损耗，同时增加了空气进入通风管的动力和流量，由此显著增加了 管内空气的流速。与普通通风管路基相比，增加管内流量20%_40%，对通风管的对流换热效 能提尚明显。
[0019] 2、通风管对流换热效能的增强。
[0020] 首先，由于通风管内空流速的增加，有效增加通风管内空气与通风管管壁的换热 强度;其次，由于空气流量的增加，路堤整体的换热强度随之增加。
[0021] 3、工程效果的显著改善。
[0022] 由于以往技术采用直管入口方式，会导致空气在通风管入口段的波动性和换热性 最强，随距离管口深度的增加而减弱。同时，由于空气在通风管入口段温度最低，由此导致 通风管内空气换热过程在入口段最强的现象，并由此导致通风路堤整体地温场的不对称。 而本实用新型提高了对通风管入口空气导流效能，减小了入口段空气波动性，平衡了通风 管整体的换热过程，缓解了地温场的不对称，同时减少了路堤阴阳坡效应的产生。
[0023] 4、冻土工程稳定性的有效增加。
[0024]首先，由于对流换热效能的增强，在很大程度增加了该种措施对冻土路基的降温 效能，由于冻土路基地温的下降，冻土基础的强度得以增强。其次，由于地温场对称性的增 强，高等级公路所要求的整体、均匀降温的技术要求被进一步增强，由此进一步增加了冻土 路基的稳定性。
[0025] 5、建设成本的降低。
[0026]由于效能较大程度的增加，较大的通风管之间的间距也可以达到以往较小间距的 降温效果。因此，在实际工程中，如果采用该种通风结构方式，可以在相同降温效果下减少 通风管风管的使用数量，由此减少建设成本，提高工程建设速度。
[0027] 6、广泛的应用范围。
[0028] 由于本实用新型仅为通风管管口实用新型技术，不仅可以用于在建通风管路基工 程，而且也可以用于已建通风管路基工程，因此具有更广泛的应用范围。
【附图说明】
[0029] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0030]图1为本实用新型的结构不意图。
[0031 ]图2为本实用新型整体结构示意图。
[0032] 图3为本实用新型半圆口与直管结合示意图。
[0033] 图4为本实用新型长方形口与直管结合示意图。
[0034] 图5为普通通风管路基管口附近流线图。
[0035] 图6为本实用新型通风管路基管口附近流线图。
[0036] 图7为普通通风管和本实用新型通风管在不同外界风速条件下，通风管管内空气 流速对比图。
[0037] 图中：1一鸭嘴型管口 2-顶面3-外截面4一底截面5-通风直管6-一 体化结构7-半圆8-长方形。
【具体实施方式】
[0038] 如图1所示，一种增进通风管路基通风效能的结构，该结构为埋设在路堤边坡一侧 或两侧位置的鸭嘴型管口 1。
[0039] 鸭嘴型管口 1包括呈封闭的顶面2、呈开口的外截面3和底截面4,并与通风直管5相 接，其整体外形最大截面水平宽度为通风直管5的1~3倍;外截面3垂直于通风直管5的轴 线。
[0040] 其中：
[0041] 顶面2为曲面、半圆面、平面中的一种或两种及以上组合。
[0042]外截面3的外形呈抛物线、半圆、长方形中的任意一种，且截面倾角为10°~90°。 [0043]底截面4距离通风直管5底面的高度为通风直管5直径的0~1.5倍。
[0044] 底截面4沿通风直管5轴线的长度为通风直管5直径的0~2倍。
[0045] 当鸭嘴型管口 1为一体化结构6时，如图2所示。
[0046] 当顶面为半圆7时，与通风直管5的组合如图3所示。
[0047] 当顶面为平面、外截面3为长方形8的组合如图4所示。
[0048] 使用时，将本实用新型埋设在路堤边坡一侧或两侧位置。
[0049]本实用新型的工作原理是：
[0050]首先通过改变通风管管口的形状，在相同外部风速，风向的条件下，通过提高入口 空气压力、改善空气流动途径、减少管口空气局部能量损失，从而增加管内空气的流速和流 量。由此改善通风管内管壁的对流换热强度，增加整体路基的换热和降温;其次，改变了的 管口形状和空气流动过程，减小入口处空气的紊流强度，同时也减小了入口段的空气换热 强度、有效避免空气冷能的损耗，由此增强通风管中段、出口段对流换热强度，减小了换热 沿风速方向的不对称性，提尚路基的稳定性。
[0051]本实用新型具体应用实例1:
[0052]参照附图1，一种增进通风管路基通风效能的结构，选用整体式鸭嘴通风管口结 构，顶面为封闭具有流线特征的曲面。通风管直管5部分直径为0.4m，鸭嘴型管口最大直径 为0.8m。
[0053]外截面3的轮廓线为抛物线，截面倾角为21.8°。
[0054]鸭嘴型管口底截面4的高度为直管5直径的1倍。沿通风管轴线的长度为直管5直径 的1倍。
[0055] 为验证本实用新型的有效性，进行了数值仿真模拟计算。模型路堤所取尺寸为路 面宽度13.0m，填土高度3.0m，护坡坡度为1:1.5，通风管轴线高度为lm。参数的选取根据青 藏高原北麓河气象站和青藏高等级公路试验段实测数据，取平均大气压为57.7kPa，密度 0 · 737kg/m3，空气粘度 1 · 75 X 10-5Pa. s，环境温度 273K。
[0056] 在相同的边界条件下进行了数值模拟计算的结果对比：一组为鸭嘴通风管路基， 一组为普通直管通风管管口路基。数值仿真计算结果如图5~7所示。
[0057] 图5和图6分别是本实用新型通风管路基和普通通风管路基在外界自然风速5m/s 条件下，通风管管口附近的流线图。从图5和图6对比可以看到，本实用新型通风管口有效改 善入口段空气的流动过程，减小了边界层分离程度，流线更加平缓，曲率更大。图6表明流体 通过绕流进入管内造成的局部损失减小，在相同外界自然风速的条件下流入管内的流量更 大。
[0058] 图7为本实用新型通风管路基和普通通风管路基在不同外界风速的条件下，管内 风速的对比。图中可以看出，在相同外界条件下，本实用新型通风管比普通通风管路基管内 流速大20%~40%左右。
[0059] 因此，通过本实用新型结构的应用，可以有效改善通风管入口段的空气流场条件， 显著增大通风管管内空气的流速和通风管路基的对流换热强度，为有效发挥通风路基工程 措施保护冻土路基的作用奠定重要基础。
【主权项】
1. 一种增进通风管路基通风效能的结构，其特征在于：该结构为埋设在路堤边坡一侧 或两侧位置的鸭嘴型管口（1);所述鸭嘴型管口（1)包括呈封闭的顶面(2)、呈开口的外截面 (3)和底截面(4)，并与通风直管（5)相接，其整体外形最大截面水平宽度为所述通风直管 (5)的1~3倍;所述外截面(3)垂直于所述通风直管(5)的轴线。2. 如权利要求1所述的一种增进通风管路基通风效能的结构，其特征在于：所述顶面 (2) 为曲面、半圆面、平面中的一种或两种及以上组合。3. 如权利要求1所述的一种增进通风管路基通风效能的结构，其特征在于:所述外截面 (3) 的外形呈抛物线、半圆、长方形中的任意一种，且截面倾角为10°~90°。4. 如权利要求1所述的一种增进通风管路基通风效能的结构，其特征在于:所述底截面 (4) 距离所述通风直管(5)底面的高度为所述通风直管(5)直径的0~1.5倍。5. 如权利要求1所述的一种增进通风管路基通风效能的结构，其特征在于:所述底截面 (4)沿所述通风直管(5)轴线的长度为所述通风直管(5)直径的0~2倍。
【文档编号】E02D27/35GK205557222SQ201620205076
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】李晓宁, 俞祁浩, 郭磊
【申请人】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所