Numerical model of a road surface and a heat exchanger as a system of reduction seasonal temperature oscillation in bridge/viaduct flooring (CFD: FLUENT)

Marek Fałtyn

Abstract

The aim of this project was to consider the existing solar-geotermal installations receiving or delivering energy to the surface of a bridge. The next step was a creation of a physical, mathematical and numerical model of a road surface and a heat exchanger as a system of reduction seasonal temperature oscillation in bridge/viaduct flooring. Project included: Description of existing installations The choice of a model, as well as the tools to solve of problem. The calculation of temperatures in bearing pad of a bridge in box section, with a particular attention to bituminous layer in summer periods. The monitoring and recording of the influence of warming-cooling installations on temperatures of the surface of a bridge in short and long warming and cooling cycles. The calculation of the quantity of the warmth distributed across installations. The calculation of the possibility of warming in winter period of the surface of a bridge, with a special attention to the safety of movement across eliminating the occurrence of icing. Attention in project was turned to the following installations: Surface of a bridge of the highway A -8 in Darligen – SERSO. ART (section 6005) ISTEA - TEXAS, OREGON. Warming system designed for bridge on interstate highway 40, laid eastwards from Weatherford in Oklahoma. The experimental warming system with land battery of thermal energy in Borowa Góra. Next part of the project aimed at creating a model of a box bridge. Adequate construction, from the point of view of the installation to receive warmth and durability contributed to this choice. These sort of bridges are the most often constructed concrete bridges at the moment. The two-meter long 3D segment of a bridge was modeled. Surface of a road-surface of one bearing pad was 29,2 [m2]. The whole bridge consists of 45 bearing pads. The programme used in process of simulation was Fluent. It is possible to distinguish the following stages: the formulating of a mathematical model, geometry construction, generation of computational mesh, introduction of data (ie. the preprocessing), the solution of a problem with the help of a solver and study of the results (the postprocessing). The model aimed to take into consideration all indispensible calculations of physical phenomena with a particular focus on sun radiation as a source of energy. The characteristics of sun-radiation was therefore considered; how it affects the surface and the quantity of energy being delivered in this way. There is a special module in Fluent which is responsible for this, namely “Solar load model ”. Part of this science work concerned detailed description of this particular module. Using computational data, as well as simplifying foundations it was possible to quantify the amount of energy absorbed in summer and winter periods. This science work also shows that the applied exchanger of warmth contributes to considerable decrease in SMA surface temperature. The decreased temperature considerably affects the durability and resistance to deformations of bituminous layers of road. In the most sunny hours temperature fell about 19°C for extreme places between tubes of exchanger and about 23°C for places just over exchanger. As far as the working installation in winter are concerned, with the external temperature around -5°C minimum the registered temperature of the surface of the bridge was over 1°C above zero. This helps prevent icing in the long term. Additionally it proved that with lower external temperatures it may be necessary to use additional warmth pumps or to change the construction of the exchanger altogether. In order to estimate more exactly the work of such installations, different geometries of the exchanger and parameters of working of a land battery energy should be taken into consideration. The hereby presented results confirm the usefulness of the Fluent programme for considerations of complex cases of energy transportation.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Marek Fałtyn (FPAE / IHE)
Marek Fałtyn,,
- The Institute of Heat Engineering
Title in PolishModel numeryczny układu nawierzchnia drogi-wymiennik ciepła jako systemu do redukcji sezonowych zmian temperatury w nawierzchni mostu/wiaduktu (CFD: FLUENT
Supervisor Roman Domański (FPAE / IHE)
Roman Domański,,
- The Institute of Heat Engineering

Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Heat Engineering (FPAE / IHE)
Study subject / specialization, Energetyka (Power Engineering)
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date10-10-2008
Issue date (year)2008
Pages129
Internal identifierMEL; PD-663
Reviewers Roman Domański (FPAE / IHE)
Roman Domański,,
- The Institute of Heat Engineering
, Tomasz Wiśniewski (FPAE / IHE)
Tomasz Wiśniewski,,
- The Institute of Heat Engineering
Keywords in Polishmodelowanie numeryczne, wymiana ciepła, energetyka, wymienniki ciepła
Keywords in Englishxxx
Abstract in PolishCelem projektu było rozważenie istniejących instalacji słoneczno-geotermalnych odbierających lub dostarczających energię do nawierzchni mostu. Kolejnym krokiem było stworzenie modelu fizycznego, matematycznego oraz numerycznego układu nawierzchnia drogi-wymiennik ciepła, jako systemu do redukcji sezonowych zmian temperatury w nawierzchni mostu/wiaduktu. Projekt obejmował: Opis istniejących instalacji. Wybór modelu, oraz narzędzi do rozwiązania problemu. Obliczenie rozkładu temperatur w segmencie mostu o przekroju skrzynkowym, ze szczególnym uwzględnieniem rozkładu temperatur w warstwie bitumicznej w okresie letnim. Monitorowanie i rejestrowanie wpływu instalacji grzewczo-chłodniczej na temperaturę nawierzchni mostu w krótkich i długich cyklach grzania i chłodzenia. Obliczenie ilości odebranego ciepła poprzez instalacje grzewczo-chłodniczą. Obliczenie możliwości grzania nawierzchni mostu w okresie zimowym, ze szczególnym uwzględnieniem bezpieczeństwa ruchu poprzez eliminowanie występowania oblodzenia. W pracy zwrócono uwagę na następujące instalacje: Nawierzchnia mostu autostrady A-8 w Darligen- SERSO. ART (section 6005) ISTEA – TEXAS , OREGON. System grzewczy zaprojektowany dla mostu na międzystanowej autostradzie 40, położonej na wschód od Weatherford w Oklahomie. Eksperymentalny system grzewczy z gruntowym akumulatorem energii cieplnej w Borowej Górze. W dalszej części projektu został zamodelowany most skrzynkowy. Przyczyniły się do tego jego korzystna konstrukcja z punktu widzenia instalacji do odbioru ciepła oraz właściwości wytrzymałościowe. Są to obecnie najczęściej budowane mosty betonowe. Modelowano dwu-metrowy segmentowy 3D wycinek mostu. Powierzchnia nawierzchni jednego segmentu wynosiła 29,2 [m2]. Cały most składa się z 45 segmentów. W procesie symulacji wykorzystano program Fluent. Można w nim wyodrębnić następujące etapy: sformułowanie modelu matematycznego, zbudowanie geometrii, generacja siatki obliczeniowej, wprowadzenie danych (tzw. preprocessing), rozwiązanie problemu przy pomocy solvera i opracowanie wyników (postprocessing). Model miał na celu uwzględnienie wszystkich niezbędnych dla poprawności obliczeń zjawisk fizycznych ze szczególnym uwzględnieniem promieniowania słonecznego jako źródła energii. Rozważono zatem istotę promieniowania słonecznego, jego sposób oddziaływania oraz ilość docierającej w związku z tym energii. W Fluencie odpowiedzialny jest za to moduł „ Solar load model”. Część pracy dotyczyła szczegółowego opisu tego modułu. Wykorzystując dane obliczeniowe, oraz założenia upraszczające określono ilość energii odebraną w okresie letnim oraz dostarczoną w okresie zimowym. Praca również wykazała iż zastosowany wymiennik ciepła przyczynia się do znacznego obniżenia latem temperatury nawierzchni SMA. Obniżona temperatura wpływa korzystnie na wytrzymałość i odporność na deformacje warstw bitumicznych drogi. W najbardziej nasłonecznionych godzinach temperatura spadła o 19oC dla skrajnych miejsc między rurkami wymiennika i o 23oC dla miejsc nad wymiennikiem. Biorąc pod uwagę działanie instalacji zimą, przy temperaturze zewnętrznej -5oC minimalna zarejestrowana temperatura nawierzchni mostu wyniosła nieco ponad 1oC powyżej zera co jest w stanie w długim okresie czasowym zapobiec oblodzeniu. Wykazuje to równocześnie że przy niższych temperaturach zewnętrznych może okazać się niezbędne zastosowanie wspomagających pomp ciepła bądź zmiana konstrukcji wymiennika. Aby dokładniej ocenić funkcjonowanie instalacji należy rozważyć także inne geometrie samego wymiennika i oczywiście uwzględnić parametry pracy gruntowego akumulatora energii. Przedstawione wyniki potwierdzają przydatność programu Fluent do rozważań złożonych procesów transportu energii
File
Praca Dyplomowa.doc 46.01 MB

Get link to the record

Back
Confirmation
Are you sure?