一种道路除冰盐用量预测方法与流程

本发明涉及路面工程领域，具体涉及一种道路除冰盐用量预测方法。

背景技术：

在冬季低温雨雪天气条件下，路面极易结冰和积雪，这将导致道路表面摩擦系数降低，车辆行驶困难，制动距离增大，从而造成交通事故发生率的大幅上升。为了有效解决道路在寒冷季节结冰、积雪的难题，除冰盐在世界范围内被广泛用于冬季道路结冰灾害防治，其具有高效、便捷、成本低、使用范围广等优点，能较快地达到道路除冰的目的，从而保障道路交通安全。

但是近几年很多研究发现，绝大多数的盐类融雪剂产品都存在很大的副作用，除冰盐易腐蚀破坏道路结构和机动车辆，还会对土壤、水体和大气等造成污染，破坏生态环境。道路除冰盐不得多撒、乱撒已经成为道路养护部门的共识，然而当前道路养护部门对除冰盐的使用具有一定的盲目性，大多靠养护人员根据往常经验抛洒使用。有时，为了增强除冰效果甚至盲目增大用量，这种行为不但浪费资源，还会带来更大环境风险。

除冰盐用量过多会造成巨大经济损失，但如果撒布过少，又会导致难以彻底清除道路凝冰。因此，在目前的除冰技术条件下，改变除冰盐使用量的人为随意性，尽可能优化除冰剂的使用量和除冰措施的合理配置，有巨大的现实意义。

实际上，不同条件下的冰层厚度、不同的结冰道路所需要的除冰盐的用量是不同的，该用多少量的除冰盐，需要进行相关的理论与试验分析。根据不同的外部条件，如气温、风速、降雪量、路面温度、雪(冰)层厚度等情况，单位面积所使用的除冰盐质量应进行适当调整，从而既能达到预期除冰效果，又能减少道路除冰盐使用量。

技术实现要素：

因此，本发明提供一种道路除冰盐用量预测方法，所述方法包括如下步骤，

步骤a：根据外界气温和外界风速的数据预测融冰过程的道路盐溶液温度变化趋势；

步骤b：从步骤a中的变化趋势得到除冰盐融冰反应结束时的盐溶液温度；

步骤c：从步骤b中的盐溶液温度得到除冰盐融冰反应结束时的盐溶液冰点温度；

步骤d：从步骤c中的冰点温度得知融冰反应结束时刻的盐溶液浓度；

步骤e：根据冰层厚度和待融化的冰层上表面积以及步骤d中盐溶液浓度计算出除冰盐的预测用量。

在一种具体的实施方式中，预测方法中假定除冰盐融冰反应结束时的盐溶液温度与除冰盐融冰反应结束时的盐溶液冰点温度相等。

在一种具体的实施方式中，在所述预测方法中通过有限元软件comsol构建道路除冰盐融冰过程的传热模型。

本专利从除冰盐融冰中的相变原理和传热传质反应入手，通过研究除冰盐溶液温度变化规律和除冰盐溶液冰点变化规律，建立起道路除冰盐融冰温度预测模型，阐述凝冰条件下道路表面冰-水-除冰盐不同物质之间的相互作用机理，相对于其他方法，本专利有如下优点：(1)通过考虑路面凝冰的厚度、凝冰温度以及大气环境的影响，对除冰盐的使用量进行优化配置以及除冰效果评价，便于实际应用中的操作；(2)从原理上揭示了道路除冰盐的融冰机理，为除冰盐的优化使用提供理论依据，达到除冰盐优化定量分析的目的。

基于本专利所提出的道路除冰盐用量预测方法，可以确定不同外界温度、不同风速、不同冰层厚度等条件下的结冰路面应采用的除冰融雪剂的用量，在兼顾融冰效果的前提下，尽量减少道路除冰盐的使用量。

附图说明

图1为实测道路除冰盐融冰过程中盐溶液温度与盐溶液冰点随时间变化规律。

图2为道路除冰盐融冰i阶段传热模型。

图3为道路除冰盐融冰ii阶段传热模型。

图4为路面除冰盐融冰有限元几何模型。

图5为融冰过程的盐溶液温度预测变化趋势。

具体实施方式

本发明通过附图和具体实施例进一步说明，但本发明保护范围的实施方式不以此为限，而以权利要求书为准。

本领域技术人员可知的，在冰层上撒放工业盐后，在冰融化时固态的工业盐也会溶解，形成盐溶液。所述工业盐例如为氯化钠、氯化镁、尿素、胺类等种类。

(1)通过试验方法得到除冰盐溶液温度与其冰点之间的关系

为了得到表征除冰盐融冰过程的参数，本专利设计实验验证道路除冰盐融冰过程中盐溶液冰点与盐溶液温度之间的关系。冰点(凝固点)指的是盐溶液由液态(水)变为固态(冰)的温度。除冰盐融冰试验结果如图1所示，结果发现，在道路除冰盐融冰过程中，其盐溶液温度与其冰点会最终接近。在盐溶液温度与其冰点接近时，道路除冰盐融冰过程形成盐溶液的反应结束。盐溶液冰点与盐溶液浓度有关，因此可以利用盐溶液的温度变化来预测盐溶液所需质量。

(2)基于相变原理和传热传质方程构建除冰盐融冰过程中的质量平衡方程和传热平衡方程

在道路除冰盐融冰过程中，冰层不断融化，体系中的冰的质量mi随时间不断变化，其质量变化规律可由式(1)至式(4)表示：

mif＝vifρice(2)

mil＝αil(ρva-ρvs)θi(3)

其中：

mif为单位时间内下雪导致的冰雪质量的增加量，kg·m^-2·s^-1；

mil为单位时间内升华导致的冰质量损失，kg·m^-2·s^-1；

miw为单位时间内融化导致的冰质量损失，kg·m^-2·s^-1；

t为时间，单位s；αil为升华系数；

f(t)为关于降雪量的函数，当有降雪时f(t)＝1，无降雪时，f(t)＝0；

vif为降雪速率，m·s^-1；ρice为道路表面冰雪密度，kg·m^-3；

ρva为空气中水蒸气的密度，kg·m^-3；

ρvs为道路表面水蒸气密度，kg·m^-3；

θi表示冰的质量在整个包括冰、盐溶液和固态盐的体系中的质量百分比；

vws为风速，取为常数，m·s^-1；

道路除冰盐融冰过程中，体系中水的质量(mw)随时间变化规律如式(5)所示：

mwf＝vfwρw(6)

mwl＝αwl{ρva-ρvs(1-φ)}(1-θi)(7)

其中：

mwf(kg·m^-2·s^-1)为单位时间内的降雨量，

mwl(kg·m^-2·s^-1)为单位时间内水的蒸发量；

f(t)，关于降水的函数，当有降水时f(t)＝1，无降水时，f(t)＝0；

vif为降水速率，m·s^-1；ρw为水的密度，998kg·m^-3；

αwl为水蒸发的体积系数；

vws为盐溶液表面的风速，即道路表面的风速，m·s^-1；

φ为当前空气湿度与饱和空气湿度的比值；

随着时间的变化，体系中固态盐的质量mss和液态盐的质量msl随时间变化规律如式(9)和式(10)所示，其中msl(kg·m^-2·s^-1)为单位时间内的溶解的固态盐质量；

考虑到除冰盐溶解与否对传热过程有较大影响，整个传热过程可以根据除冰盐溶解与否划分为i阶段与ii阶段两个阶段；i阶段从投入除冰盐开始至除冰盐完全溶解结束，其热交换过程如图2所示，根据假设，除冰盐盐层将盐水层与空气隔绝，因此，i阶段不考虑盐溶液层与空气的换热及水的蒸发作用；

i阶段盐溶液层热平衡方程建立如下：

式中：ρsw为盐溶液的密度，kg/m³

csw为盐溶液的比热容，认为其恒定不变，j/(kg·℃)

vsw为盐溶液体积，m³·m^-2

tsw为盐溶液层的平均温度，℃

qsw为单位时间内盐溶液层与盐层的换热，w·m^-2；

qiw为单位时间内盐溶液层与冰层的换热，w·m^-2；

qsl为单位时间内盐溶解于水吸收的热量，w·m^-2；

qil为单位时间内冰融化吸收的热量，w·m^-2；

其中：

上式中：λsw为盐溶液的导热系数，w·m^-1·k^-1；

λs为盐层的导热系数，w·m^-1·k^-1；

λi为冰层的导热系数，w·m^-1·k^-1；

hsw为盐溶液层厚度，cm；hsw＝0.425exp(-726/t)；

hs为盐层厚度，cm，hs＝0.5-0.5t/1230；

hi为冰层厚度，cm；

ts为盐层平均温度，取为外界环境温度，℃；

ti为冰层平均温度，℃；

rc为热通量阻值，取rc＝0.6×10^-3m²kw^-1；

体系中除冰盐溶解热通量可由下式表示：

qsl＝msl·lsl(14)

上式中：msl为单位时间内单位面积固态盐的溶解量，与体系温度及盐溶液浓度有关，根据道路除冰盐融冰试验结果，除冰盐溶解速率可由式(15)表示：

msl＝7.174×10^-4kg·m^-2·s^-1(15)

lsl为单位质量固态盐溶解所吸收的潜热，有：

lsl＝-3.88/(58.44×10^-3)kj·kg^-1

体系中冰层融化热通量可由下式表示：

qil＝mil·lil(16)

上式中：mil为单位时间内单位面积融化的冰的质量，与体系温度及盐溶液浓度有关，根据除冰盐室内试验结果，取为

mil＝3400·exp(-726/t)/t²(kg·m^-2·s^-1)(17)

其中lil为单位质量冰融化所吸收的潜热，

lil＝-335kj·kg^-1

ii阶段为除冰盐完全溶解至融化反应结束的阶段，其热交换过程如图3所示：

与i阶段不同，ii阶段由于固体除冰盐溶解完全，盐层消失，所以需要考虑盐溶液层与空气间的对流换热和水蒸发所导致的换热；ii阶段热平衡方程建立如下：

式中：ρsw为盐溶液的密度，kg/m³

csw为盐溶液的比热容，认为其恒定不变j/(kg·℃)

vsw为盐溶液的体积，m³·m^-2

qsw为单位时间内盐溶液层与盐层的换热，w·m^-2；

qiw为单位时间内盐溶液层与冰层的换热，w·m^-2；

qil为单位时间内冰融化吸收的热量，w·m^-2；

qa为单位时间内冰盐体系与外界空气的换热，w·m^-2；

qwa为单位时间内水蒸发所吸收的热量，w·m^-2；

qa＝αa(twis-ta)(19)

上式中：αa为盐溶液与空气的热交换系数，与风速va有关，αa＝10.4va^0.7+2.2，twis为盐溶液的温度，℃；ta为外界气温，℃；

qwa＝mwa·lwa(20)

mwa为单位时间内盐溶液中水分的蒸发速率，取为1.11×10^-5kg·s^-1·m^-2；水分蒸发潜热lwa取为-2260kj/kg。

(3)通过温度模型预测达到对除冰盐融冰过程预测的目的

基于除冰盐融冰过程中盐溶液冰点与其溶液温度会最终接近的理论以及除冰盐融冰过程中的质量平衡方程与传热平衡方程。本专利通过有限元软件comsol构建道路除冰盐融冰过程的传热模型，从而通过除冰盐溶液温度预测达到对冬季道路除冰盐使用量预测的目的。

comsol有限元模型建立过程如下：

在建立几何模型时，为了使建立的模型与现场试验情况和相符，采用三维分析，取除冰盐融冰过程中道路结构的某一段作为融冰模型进行研究。融冰模型由上到下分为除冰盐层、盐溶液层、冰层、沥青路面层，如图4。

有限元几何模型共21个边界，材料层由上往下分别赋予固态盐参数，盐溶液参数，冰参数，沥青混凝土参数，具体数值见表1。

表1有限元模型材料参数

模型定义完成后，需对各区域进行传热分析，沥青混凝土层内部传热方式为固体传热，冰层内部和固态盐层内部定义为相变传热，盐溶液层与冰层之间为第二类边界条件且假设为完全热接触且存在热通量qil；盐层与盐溶液层之间为第二类边界条件且假设为完全热接触，存在热通量qsl；盐溶液层上部边界设为第二类边界条件，存在热通量qwa与qa。由于几何模型取为道路结构某一段，故上述几何模型左右两侧边界设置为热绝缘。

在模型固体传热中，有控制方程：

在几何模型左右两侧设置为热绝缘，有控制方程如下：

对于完全热接触传热，有：

对于冰层内部相变传热，有控制方程：

式(21)至式(24)为有限元几何模型的内部计算公式，这些公式内容均为本领域技术人员可知的公知内容。

从相1(冰)到相2(水)相变潜热为335[kj/kg]。

模拟时，其他外部环境参数如表2；

表2热通量变量参数

在本发明的最后一个步骤之前：

盐溶液的冰点与盐溶液温度和浓度有关，标准气压条件下，盐溶液冰点与盐溶液浓度和盐溶液自身温度的关系可表示为：

tb＝-0.02c²-0.39c-0.36(25)

其中，tb为盐溶液冰点温度，℃；c为盐溶液浓度；

ms为盐溶液中盐的质量；mi为反应过程中盐溶液中水的质量，即整个反应过程中融化的冰的质量；

根据除冰盐融冰试验结果，融冰反应结束时刻的盐溶液温度tsw′近似等于此时刻的盐溶液冰点tb′，即有：

tsw′＝tb′(27)

令c′为除冰盐融冰反应结束时的盐溶液浓度，ms′为反应结束时盐溶液中盐的质量；mi′为反应过程中盐溶液中水的质量；结合式25，则有：

ms′在数值上等于反应开始时刻投入的除冰盐质量，mi′在数值上与反应过程中融化的冰层质量相等。

同时根据温度模型假设，融冰过程中冰层与盐溶液层底面积始终保持一致；因此，公式(28)可以进一步简化为：

其中，hs是初始时刻投入的除冰盐层的厚度，cm；hi是整个融冰过程中所融化的冰层厚度，cm；

根据式(29)，在除冰盐的实际应用中，对于单位面积道路冰层，可根据其冰层厚度来确定所需要使用的除冰盐厚度。

根据前文研究，本文所建立的有限元模型可以对不同外部条件下的除冰盐溶液温度进行较为准确的预测。因此，基于式(29)，结合除冰盐溶液温度预测模型，可以实现不同条件下的道路除冰盐用量预测。

道路除冰盐用量预测思路如下：

需要融化的冰层厚度→根据不同条件(外界气温、风速)预测道路盐溶液温度变化趋势→得到除冰盐融冰反应结束时的温度→得到除冰盐融冰反应结束时的冰点→得到融冰反应结束时刻的盐溶液浓度→根据盐溶液浓度＝除冰盐用量/融化冰层体积即可换算出除冰盐用量。

下面根据这一思路对特定外部条件下的道路冰层进行除冰盐用量预测，预测结果通过室内除冰盐实验来对比验证。外部环境参数如表3。

表3试验条件参数

根据本专利所建立的道路除冰盐溶液温度预测模型，表3条件下融冰过程的温度变化规律如图5所示。

根据图5可以看出，在融冰反应结束时刻，盐溶液温度最终稳定在-8.7℃，即有：tsw＝-8.7℃。

根据式(29)换算可得，在hi＝1cm的情况下，融化冰层所需除冰盐盐层厚度约为0.12cm。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。