基于耦合传热与相变理论的湿冷环境下路面凝冰机理研究

Pavement freezing is a common meteorological disaster in Southern China, especially in the wet mountain areas. Pavement freezing can reduce road surface slip resistance greatly, and often causes significant casualties and property losses. Pavement freezing mechanism is an important theoretical basis for pavement freezing prediction. At present, the existing research is often limited to meteorological methods, without properly considering the important influence of “non-meteorological” factors, such as road structure, materials, and traffic. To this end, this project studies pavement freezing mechanism based on coupled heat transfer theory and ice-water phase change theory, considering multiple complex factors. The multi-source heat flux at the pavement surface is quantified based on theoretical and experimental methods. The variability of thermal properties of pavement materials in wet conditions is determined by experiment and multi-scale simulation. Finally, the “ice (water)” layer on the pavement surface is treated as the phase change subject innovatively, and the coupled heat transfer model for the “pavement- ice (water)” system is established. The pavement temperature, “ice (water)” temperature and physical state are solved in a coupled method, and the result is validated with experiment. The pavement freezing mechanism in the wet and cold conditions is studied and clarified, by conducting a series of analysis. The research results will provide important theoretical support for pavement freezing forecast.

冬季路面凝冰常见于我国南方湿冷山区，极大降低路面抗滑性，造成重大伤亡和经济损失。路面凝冰机理是凝冰预警的重要理论基础。既有研究局限于气象学方法，未能合理考虑道路、材料、交通等“非气象”因素的影响，严重影响了凝冰预警的科学性和准确性。为此，本项目考虑多重复杂因素，基于耦合传热理论与冰-水相变理论，开展路面凝冰机理研究：首先通过理论分析与试验相结合的方法，实现多源路表热流的科学量化；然后，通过室内试验与多尺度仿真计算相结合的方法，探明湿冷环境下路面材料关键热学参数随湿度的变异性规律；最后，建立“路-冰（水）”体系的耦合传热模型，考虑多源路表热流及路面材料随湿度的变异性，利用热焓法耦合求解路面温度、“冰（水）”层温度及凝冰状态，并予以试验验证。深入分析路面凝冰条件、凝冰时间及影响因素，进而阐明湿冷环境下路面凝冰机理。研究成果将为路面凝冰预警提供重要的理论支撑。

冬季路面凝冰常见于我国南方湿冷山区，极大降低路面抗滑性，造成重大伤亡和经济损失。路面凝冰机理是凝冰预警的重要理论基础。既有研究局限于气象学方法，未能合理考虑道路、材料、交通等“非气象”因素的影响，严重影响了凝冰预警的科学性和准确性。为此，本项目考虑多重复杂因素，基于耦合传热理论与冰-水相变理论，开展路面凝冰机理研究。首先通过理论分析与试验相结合的方法，实现多源路表热流的科学量化；然后，通过室内试验与多尺度仿真计算相结合的方法，探明路面材料关键热学参数，如导热系数、热变形参数等随材料组成和环境影响的变化规律；最后，基于贝叶斯结构时间序列和神经网络，建立路面冬季低温概率预测模型，并建立“路-冰（水）”体系的相变传热模型，考虑多源路表热流及路面材料随湿度的变异性，利用有限差分法耦合求解路面温度、“冰（水）”层温度及凝冰状态，并予以试验验证。利用上述模型，深入分析路面凝冰机理。研究表明：交通热流主要为辐射热流，其对路面的热辐射作用不可忽略；增加粗集料的含量可以改善沥青混凝土中集料之间的接触，提高沥青混凝土的有效导热系数。随着含水率的增加，有效导热系数逐渐增加。采用花岗岩石灰岩等制作沥青混凝土试件能够降低沥青混凝土试件的整体CTE和CTC；水泥混凝土路面比沥青混凝土路面更容易结冰。随着使用时间的推移，沥青混凝土路面结冰的可能性趋于增大，而水泥混凝土路面结冰的可能性趋于减小。所有地表水凝结成冰所需的时间可以通过一个关于环境温度、风速和降雨量的非线性方程来估计。由高导电性表面层、高导电性中间层、低导电性底层组成的路面，更适合冬季防止路面结冰。研究阐明湿冷环境下路面凝冰机理，研究成果将为路面凝冰预警提供重要的理论支撑。