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水 利 学 报

２０２３年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０６ － ０７２９ － １０

寒区工程离心模型试验地基表面换热特性及热边界设置方法研究

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张 晨 ，陈红永 ，王 羿 ，蔡正银 １
（１．南京水利科学研究院，江苏 南京 ２１００２４；２．中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 ６２１０００）

摘要：温度场的准确模拟是开展寒区工程离心模型试验的关键。目前大多数基于半导体换热装置的相关试验，忽
视了热边界的参数设置，导致试验边界条件不清晰。为进一步提升试验的合理性和精确性，采用有限元 ＣＦＤ方
法模拟了基于半导体制冷装置热交换场景的、超重力场下密闭夹层空间的换热过程；通过变换模型率、冷端初始
温度、间隙间距等主要热边界条件，明晰了该场景下的换热特征及时空规律。在此基础上，结合设备特点与原型
实际，提出采用空气冻结指数作为匹配原型环境温度的指标，用于反映地基表面的 “冻结程度”，并指导试验中
热边界条件的具体参数设置。
关键词：寒区工程；离心模型试验；热交换；温度边界；冻结指数
类
号
分
中
图
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文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０９１４
１ 研究背景
地基冻结是自然界最常见的现象之一。位 于北方
寒区的水利工程，例如输水渠道，在低温－ 水－ 土－ 结构
等渗－ 冻互馈机制作用下常发生结构性破坏 ［１］ 。对于此
类现象及问题的研究，通过开展物理模型试验可以再
现、预测及评价原型工程地基在低温环境下的性状变
化。其中，土工离心 模型 试 验 因 其 在 缩 时、量 化、动
态捕捉等方面的优势，受到了研究者们的重视。但是，
不同于其他离心模型试验，寒区工程离心模型试验需
要在超重力环境中对模型施加相应的温度场。从试验
需求、安全性和制冷效果等角度出发，基于帕尔贴效
应的半导体热交换装置是目前此类试验研究较为合适 图 １ 基于半导体制冷的寒区工程离心模型试验
的温度场模拟设备 ［２ － ３］ 。该装置的基本原理是利用热交
换装置与模型表面制造温度差，从而在模型箱空气夹层内产生包括对流换热在内的多种换热形式，以
达到降温的效果，如图 １所示。该装置还具有不挤占空间，追加水冷装置后可提升换热效率，以及可
模拟升温过程等特点，因此，国内学者大都使用该装置完成了有关寒区工程问题的研究 ［４ － ７］ 。
从实践来看，使用该装置进行温度输出时有以下特点：（ １）滞后性。图 ２给出了半导体热交换装
置在试验过程中温度的输出表现，其中试验 １、４的目标输出温度为－ ４０℃，其余两组为－ ３０℃。在基
（ － τ ?ｔ ２ ）
于半导体比例积分微分（ＰＩＤ）控制的温控技术下，热交换板的输出可用形如：Ｔ ＝ Ａｅ （ － τ ?ｔ １ ） ＋ Ｂｅ ＋ Ｃ
的衰减函数表征（其中 ｔ为温度、τ 为时间，Ａ、Ｂ、Ｃ为拟合参数）。由图 ２可知热交换板的输出温度

收稿日期：２０２２ － １１ － ０５；网络首发日期：２０２３ － ０２ － ２７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２２７．１１５３．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１７０９１８５）；中央公益性科研院所基本科研业务费专项项目（Ｙ３２２００８）
作者简介：张晨（１９８８ － ），博士，高级工程师，主要从事水利工程物理模型试验研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｚｈａｎｇ＠ｎｈｒｉ．ｃｎ
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