intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo trường nhiệt độ áo đường bê tông nhựa trên đường ô tô khu vực đồng bằng Bắc Bộ bằng phương pháp giải tích

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

11
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài viết này sẽ tiến hành nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo trường nhiệt độ áo đường bê tông nhựa trên đường ô tô khu vực đồng bằng Bắc bộ. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng ở đây là phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo trường nhiệt độ áo đường bê tông nhựa trên đường ô tô khu vực đồng bằng Bắc Bộ bằng phương pháp giải tích

  1. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH Nguyễn Mạnh Hùng1* 1 Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 450-451 Lê Văn Việt, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh * Tác giả liên hệ: Email: hungnm_ph@utc.edu.vn. Tóm tắt. Với mục tiêu xây dựng một công cụ tiện ích để dự báo trường nhiệt độ áo đường bê tông nhựa (BTN) đường ô tô cho cả khu vực Đồng bằng Bắc bộ nhằm góp phần giải quyết các vấn đề liên quan đến yếu tố nhiệt, bài báo tiến hành thiết lập và giải mô hình bài toán truyền nhiệt qua các lớp mặt đường này. Nhờ công cụ toán học là phép biến đổi Laplace áp dụng cho vật liệu nhiều lớp nửa vô hạn, mô hình xác định và dự báo trường nhiệt độ qua lớp BTN đã được xây dựng. Mô hình lý thuyết chỉ ra rằng, khi tăng hệ số dẫn nhiệt của lớp BTN dày 18 cm từ 1,2 W/(m.K) lên tới 2 W/(m.K), nhiệt độ lớn nhất trong lớp BTN giảm từ 64,89 oC xuống còn 56,40 oC. Việc đánh giá độ tin cậy của mô hình cũng được tiến hành. Sai lệch tương đối lớn nhất giữa kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại Ninh Bình với kết quả thu được từ mô hình dự báo là 10,98%. Tại Hà nội, sai lệch lớn nhất giữa thực nghiệm và mô hình tại các lớp bề mặt, sâu 20 mm, 50 mm lần lượt là 6,24%, 9,58% và 17,34%. Từ khóa: mô hình dự báo, trường nhiệt độ, áo đường, đồng bằng Bắc bộ, giải tích. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trường nhiệt độ áo đường bê tông nhựa (BTN) phụ thuộc khá nhiều vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí cũng như vĩ độ hay vị trí của đối tượng được nghiên cứu. Việc nghiên cứu, dự báo, đánh giá trường nhiệt độ của lớp áo đường tại một khu vực có giá trị hữu ích trong việc khai thác, bảo dưỡng chính công trình đường đó. Trên thế giới đã có khá nhiều công trình nghiên cứu xác định trường nhiệt độ của các lớp bê tông nhựa bởi nhiệt độ có ảnh hưởng khá lớn đến chất lượng đường. Các công trình nghiên cứu này được thực hiện theo nhiều hướng: lý thuyết, thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm. Tuy vậy, cho dù theo hướng nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm hay kết hợp thì các kết quả này chủ yếu áp dụng cho điều kiện khí hậu tại các khu vực ở nơi thực hiện công trình nghiên cứu, khi áp dụng cho một vùng cụ thể khác hoàn toàn có thể gây ra sai số lớn. Bên cạnh đó, hầu hết các mô hình đều ở dạng nhiệt độ mặt đường nhựa là hàm của nhiệt độ không khí trong khi bức xạ mặt trời lại là yếu tố quyết định ở các nước thuộc khu vực nhiệt đới, ví dụ như trong các công trình [1], [2], [3], [4]. Trong nước cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về trường nhiệt độ mặt đường BTN nói chung tại Việt Nam. Đa số các công trình nghiên cứu trong số đó được thực hiện theo hướng -637-
  2. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải thực nghiệm ví dụ như [7], [8], [9], [10], [11]. Công trình [6] được thực hiện theo phương pháp số. Công trình [5] sử dụng phương pháp giải tích, tuy vậy mấu chốt của bài toán cũng là nghiệm cần tìm toán được đưa vào nghiên cứu ở đây là nhiệt độ lớp bề mặt xác định theo phương pháp giải tích thì lại được giả thiết là hàm sin. Bên cạnh đó, theo tìm hiểu của chúng tôi thì chưa có công trình nghiên cứu nào về xây dựng mô hình dự báo trường nhiệt độ trên cơ sở phương pháp giải tích, đặc biệt là cho vùng khí hậu đồng bằng Bắc Bộ nơi có mật độ đường tương đối lớn. Trong bài báo này sẽ tiến hành nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo trường nhiệt độ áo đường bê tông nhựa trên đường ô tô khu vực đồng bằng Bắc bộ. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng ở đây là phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt qua áo đường và các giả thiết Các giả thiết cho bài toán truyền nhiệt ở đây bao gồm: vật liệu chỉ bao gồm 2 lớp là lớp BTN (lớp 1) và lớp móng có chiều dày vô hạn (lớp 2) (hình 2.1); tiếp xúc giữa các lớp vật liệu là lý tưởng; trong các lớp vật liệu không có nguồn sinh nhiệt, nghĩa là việc xác định trường nhiệt độ ở đây ứng với thời gian đủ dài sau khi thi công xây dựng đường; bỏ qua ảnh hưởng nhiệt do các yếu tố vận hành, như tải trọng, tốc độ xe, …; mặt đường là mặt phẳng; bỏ qua giãn nở nhiệt. Với các giả thiết nêu trên, đây là bài toán truyền nhiệt không ổn định một chiều qua nhiều lớp vật liệu nửa vô hạn, mô hình toán học được thể hiện như sau: 1  2 1 = a 1 . 2 , 0 < x < L,  > 0 (2.1a)  x  2  2 = a 2 . 22 , L < x < +,  > 0 (2.1b)  x với điều kiện biên (ĐKB): 1 − 1 + 11 = 1f1 () tại x = 0,  > 0 (2.1c) x 1  Hình 2.1. Mặt cắt ngang 1 = 2 2 tại x = L,  > 0 (2.1d) áo đường. x x 1(x, ) = 2(x, ); tại x = L,  > 0 (2.1e)  2 →0 khi x →  (2.1f) x và điều kiện ban đầu (ĐKBĐ): 1(x, 0) = 2(x, 0) = F(x,0) tại  = 0 (2.1g) trong đó:  - thời gian, giây; a1, a2 – hệ số dẫn nhiệt độ của các lớp vật liệu, m2/s; i(x,) là nhiệt độ trong các lớp 1, 2, oC; L – bề dày lớp vật liệu thứ nhất, m; 1, 2 – hệ số dẫn nhiệt các lớp vật liệu; 1 – hệ số trao đổi nhiệt tương đương tại bề mặt trên lớp -638-
  3. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải vật liệu, W/(m2.K); f1() là hàm ĐKB đã xác định [12]; F(x,0) là hàm ĐKBĐ. 2.2. Điều kiện đơn trị 2.2.1. Điều kiện hình học và nhiệt vật lý Với vật liệu BTN có bề dày từ 0,07 đến 0,18 m và lớp móng có bề dày tiến tới vô hạn thì theo [13], hệ số dẫn nhiệt  và hệ số dẫn nhiệt độ a của hai loại vật liệu này lần lượt là 1,6 W/(m.K), 1,2 W/(m.K) và 0,639.10-6 m2/s, 0,847.10-6 m2/s. 2.2.2. Điều kiện ban đầu Theo [14], nhiệt độ ban đầu trong các lớp mặt đường được xác định theo nhiệt độ không khí thấp Hình 2.2. Sự thay đổi nhiệt độ ban đầu trong nhất trong ngày và theo chiều sâu các lớp mặt đường theo chiều sâu. mặt đường x, m: F(x, 0) = (0,89.kk,min + 5,2) + 37.x – 62,9.x2 (2.1h) trong đó, theo [12] và [15], nhiệt độ không khí thấp nhất trong ngày trong khu vực đồng bằng Bắc Bộ vào tháng 7 là 27 oC ứng với lúc 5 giờ sáng. Thời điểm 5 giờ sáng cũng là thời điểm đầu tiên của bài toán truyền nhiệt không ổn định đang được xét ở đây. Biểu diễn F(x,0) trên đồ thị như hình 2.2 và thấy rằng, có thể biến đổi (2.1h) về dạng tuyến tính để việc giải bài toán được thuận lợi hơn. Kết quả thu được: F(x,0) = m.x + n với m = 0,0238 và n = 29,714, R2 = 0,9819 (2.1i) 2.2.3. Vùng khí hậu và xác định điều kiện biên Vùng khí hậu ở đây đã được xác định ngay trong đối tượng và phạm vi nghiên cứu của bài báo, đó là khu vực Đồng bằng Bắc Bộ. Theo [12], với trục tọa độ x hướng xuống dưới mặt đường, ĐKB tại bề mặt trên của áo đường chính là phương trình (2.1c) nêu trên với 1 = 11,11 W/(m2.K). - Trong [12] cũng đã thiết lập các giá trị hệ số hàm f1() ứng với các giá trị của hệ số hấp thụ (HSHT)  bề mặt đường từ 0,5 đến 0,9. - 2.3. Tìm nghiệm của mô hình bằng phương pháp giải tích Trong số các phương pháp giải tích được dùng cho bài toán truyền nhiệt gồm phương pháp sử dụng hàm Green, trực giao, biến đổi Laplace ... [16] thì phương pháp biến đổi Laplace được lựa chọn vì nó hỗ trợ đắc lực cho bài toán qua vật nửa vô hạn. Sử dụng phép biến đổi Laplace [16], [17] với hệ (2.1), thu được hệ (2.2) với biến số phức s: -639-
  4. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải  2 1 s.1 − F(x,0)  2 2 s.2 − F(x,0) = , 0 < x  L (2.2a) ; = , L  x < + (2.2b) x 2 a1 x 2 a2 1 1  −1 + 1 1 = 1 f1 (s) tại x = 0 (2.2c); 1 = 2 2 tại x = L (2.2d) x x x 2 1 (x,s) = 2 (x,s) tại x = L (2.2e); → 0 khi x →  (2.2f) x Trong các phương trình kể trên, ký hiệu 1 và  2 tương đương với 1 (x,s) và 2 (x,s) là biến đổi Laplace của 1(x, ) và 2(x, ). Giải hệ (2.2) đồng thời sử dụng phép biến đổi Laplace ngược [16], [17] thu được hàm toán học mô tả phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa như sau: 1 (x, ) = 1,1 (x, ) + 1,2 (x, ) + 1,3 (x, ) (2.3a) với: 1,1 (x, ) = 1,1,1 (x, ) + 1,1,2 (x, ) + 1,1,3 (x, ) (2.3b)  1,1,1 (x, ) =  f1 (*).1,1,1,c (x,  − *)d * ; 1,1,1,c (x, ) = 1,1,1,c,1 (x, ) + 1,1,1,c,2 (x, ) 0  1  (2iL + x) 2  a  2iL + x a1    exp  −  − 1 .exp  + 2 .  .  a    4a   H  H H  1,1,1,c,1 (x, ) =   i . 1 .  1  i =0 H   2iL + x a 1    .erfc  +    2 a H    1   1  (2(i + 1)L − x) 2  a1  2(i + 1)L − x a1    exp  −  − .exp  + 2 .  .  a    4a   H  H H  1,1,1,c,2 (x, ) = −  i+1. 1 .  1  i =0 H   2(i + 1)L − x a1    .erfc  +    2 a H    1  1,1,2 (x, ) = 1,1,2,1 (x, ) + 1,1,2,2 (x, ) (2.3c)   2iL + x   2iL + x a1   erfc   − exp  + 2 .  .     2 a   H H     1,1,2,1 (x, ) = ( mH − n ) .  i .  1  i =0   2iL + x a1    .erfc  +    2 a  1 H   -640-
  5. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải   2(i + 1)L − x   2(i + 1)L − x a1    erfc   − exp  + 2 .  .    2 a    H H  1,1,2,2 (x, ) = − ( mH − n ) .  i +1.  1  i =0   2(i + 1)L − x a1    .erfc  +    2 a H   1   1,1,3 (x, ) = 1,1,3,1 (x, ) + 1,1,3,2 (x, ) + 1,1,3,3 (x, ) + 1,1,3,4 (x, ) (2.3d) m * a1  x − L   L − x  (L − x) 2  2   (L − x) 2  1,1,3,1 (x, ) = . 1 + erf    − 2 .exp  −  .exp +      2  1  a  2 a 1    4a 1  4a 1  m * a1  i    [(2i − 1)L + x]2  (2i − 1)L + x (2i − 1)L + x  +   2 i=1   .  2 .exp − 4a1 − .e rfc 2 a1     a1 . a1 .m*  i    [(2i + 1)L + x]2  (2i + 1)L + x  (2i + 1)L + x   1,1,3,2 (x, ) = −   . 2 .exp  − 4a   − a erfc  2 a   2 i=0    1  1  1   a1 .m*  i+1    [(2i + 1)L − x]2  (2i + 1)L − x  (2i + 1)L − x   1,1,3,3 (x, ) = −   . 2 i=0    2 .exp − 4a1 − erfc       a 1  2 a 1   a1 ..m*  i+1    [(2i + 3)L − x]2  (2i + 3)L − x  (2i + 3)L − x   1,1,3,4 (x, ) =   . 2 .exp  − 4a   − a erfc  2 a   2 i=0    1  1  1   m * (L − x)   L−x  L−x  1,2 (x, ) = − . 1+erf   +erfc  (2.3e) 2   2a   2a    1  1 1,3 (x, ) = m.x + n (2.3f) a1  1    1− k trong đó:  = ; k = 1 .  0 ; H = 1 ; m* = m.  2 − 1 ;  = . a2 2  1  1  1+ k Ngoài ra, nghiệm giải tích thể hiện phân bố nhiệt độ trong lớp móng cũng được xác định nhưng do khuôn khổ của bài báo nên không trình bày ở đây. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Trường nhiệt độ lớp bê tông nhựa Sử dụng phần mềm Mathcad và nghiệm giải tích tìm được ở trên, thu được trường nhiệt độ trong các lớp mặt đường. Hình 3.1 là kết quả trường nhiệt độ lớp BTN dày 18 cm có hệ số hấp thụ (HSHT) 0,9 tại bề mặt tức ứng với x = 0, tại vị trí có độ sâu 2 cm, 9 cm – điểm giữa và mặt dưới (độ sâu 18 cm). Phân bố nhiệt độ tại các điểm theo thời gian có dạng hình sin. -641-
  6. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Nhiệt độ các điểm trong lớp BTN tăng nhanh chóng theo thời gian trong ngày sau khi có ánh nắng mặt trời vào lúc sau 6 giờ sáng. Nhiệt độ bề mặt trên đạt cực đại (60,08 o C) vào 13 giờ 45 phút. Nhiệt độ điểm có độ sâu 20 mm đạt cực đại (56,51 oC) vào 14 giờ 20 phút). Nhiệt độ điểm dưới của lớp BTN (ứng với bề dày L = 0,18 m) đạt cực đại 41,88 oC vào lúc 18 giờ 33 phút. Vị trí và hình dáng của các đường phân bố này tuân theo quy luật truyền nhiệt cơ bản trong các lớp vật liệu theo thời gian. Hình 3.1. Sự thay đổi nhiệt độ tại 4 điểm điển hình lớp BTN trong một ngày khi HSHT = 0,9 với 1(0.0,) là nhiệt độ bề mặt trên, 1(0.02,) – nhiệt độ điểm cách bề mặt 20 mm, 1(0.09,) – nhiệt độ điểm giữa và 1(0.18,) – nhiệt độ mặt dưới lớp BTN có bề dày 18 cm. Hình 3.2. Sự thay đổi nhiệt độ tại 4 điểm điển hình lớp BTN trong một ngày khi HSHT = 0,9 với 1(0.0,) là nhiệt độ bề mặt trên, 1(0.02,) – nhiệt độ điểm cách bề mặt 20 mm, 1(0.06,) – nhiệt độ điểm giữa và 1(0.12,) – nhiệt độ mặt dưới lớp BTN có bề dày 12 cm. Hình 3.2 là kết quả trường nhiệt độ lớp BTN dày 12 cm có HSHT 0,9 tại bề mặt trên tức ứng với x = 0, tại vị trí có độ sâu 2 cm, 9 cm và mặt dưới (độ sâu 12 cm). Đường phân bố nhiệt độ tại các điểm theo thời gian có dạng hình sin, tương tự như với -642-
  7. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải trường hợp 18 cm. Nhiệt độ bề mặt trên đạt cực đại (60,08 oC) vào 13 giờ 45 phút cũng giống như trường hợp dày 18 cm. Điều này thể hiện sự ảnh hưởng mạnh của bức xạ mặt trời đến nhiệt độ lớp bề mặt. Nhiệt độ điểm có độ sâu 20 mm đạt cực đại (57,77 oC) vào 14 giờ 21 phút. Nhiệt độ điểm dưới của lớp BTN (ứng với bề dày L = 0,12 m) đạt cực đại 46,78 oC vào lúc 16 giờ 57 phút, sớm hơn so với trường hợp 18 cm. 3.2. Ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt lớp BTN đến trường nhiệt độ Theo các tài liệu [18] đến [21], hệ số dẫn nhiệt của các loại BTN thay đổi trong khoảng từ 1,2 đến 2,2 W/(m.K). Trong mục này, ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt lớp BTN đến trường nhiệt độ sẽ được đưa vào nghiên cứu. Hình 3.3 thể hiện sự thay đổi nhiệt độ bề mặt trên lớp BTN dày 18 cm trong một ngày điển hình với HSHT bằng 0,9, hệ số dẫn nhiệt thay đổi từ 1,2 đến 2,0 W/(m.K). Khi hệ số dẫn nhiệt là 1,2 W/(m.K) thì nhiệt độ lớn nhất cũng là nhiệt độ bề mặt trên lớp BTN là 64,89 oC vào lúc 13 giờ 39 phút. Tương tự với hệ số dẫn nhiệt 1,6 và 2,0 W/(m.K) là 60,08 oC tại 13 giờ 45 phút và 56,40 oC tại 13 giờ 54 phút. Từ đó thấy rằng, khi hệ số dẫn nhiệt lớp BTN tăng thì trường nhiệt độ thay đổi theo hướng giá trị nhiệt độ lớn nhất trong lớp BTN giảm xuống Đây cũng là một gợi ý cho việc giải quyết các vấn đề về bền nhiệt lớp BTN. Hình 3.3. Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt trên lớp BTN trong một ngày khi HSHT = 0,9 với hệ số dẫn nhiệt thay đổi từ 1,2 đến 2,0 W/(m.K) đối với lớp BTN dày 18 cm. 3.3. Mô hình dự báo trường nhiệt độ chung cho cả khu vực đồng bằng Bắc Bộ Dựa trên việc đánh giá giá trị các số hạng trong các hàm số cấu thành phương trình xác định trường nhiệt độ (2.3) trong thời gian một ngày điển hình, nhận thấy rằng có thể chỉ sử dụng các số hạng 1,1,1,a (x, ) và 1,3 (x, ) là đủ. Do đó, mô hình dự báo trường nhiệt độ cho cả khu vực đồng bằng Bắc Bộ được đề xuất ở đây là:  1  (2iL + x)2  a1  2iL + x a1    exp  −  − .exp  + 2 .  .   a    4a   H  H H  1 (x, ) =  f1 ( − *).  . .  1  d * + (m.x + n) (3.1) i 1 i =0 H   2iL + x a1   + 0  .erfc     2 a H    1   -643-
  8. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 3.4. Đánh giá độ tin cậy của mô hình Để đánh giá độ tin cậy của mô hình, việc thực nghiệm xác định nhiệt độ lớp BTN được thực hiện như sau: đo nhiệt độ mặt trên lớp BTN vào ngày 06.7.2018 tại Ninh Bình; thiết bị đo là súng bắn nhiệt độ model VIT-300, có sai số đo là 0,5 oC. - Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm tại Ninh Bình và sai lệch so với mô hình dự báo. Bề dày Giá trị từ Giá trị trung lớp mô hình Sai lệch (TN- TT Giờ đo Điểm đo bình thực BTN, dự báo, MH)/TN, % nghiệm, oC o cm C 1 10g15 Lê Văn Thăng 12 55.3 53.30 -3.62 2 12h20 Lê Văn Thăng 12 58.8 63.13 7.36 3 10g05 QL10 (Nội thị) 18 58.3 52.26 -10.36 4 12g30 QL10 (Nội thị) 18 69.6 63.58 -8.65 5 14g05 QL10 (Nội thị) 18 65.8 64.59 -1.84 6 10g10 Trần Hưng Đạo 12 56.9 52.77 -7.26 7 12g30 Trần Hưng Đạo 12 65.5 63.57 -2.95 8 14g00 Trần Hưng Đạo 12 67.4 64.68 -4.04 9 9g15 QL10 18 50.9 46.46 -8.72 10 9g30 QL10 18 54.2 48.25 -10.98 11 12g10 QL10 18 65.3 62.65 -4.06 12 14g35 QL10 (có mây) 18 59.0 63.72 8.00 Bảng 3.1 là kết quả đối sánh giữa thực nghiệm và mô hình. Sai lệch tương đối giữa mô hình và thực nghiệm lớn nhất là 10,98%, thấp nhất là 1,84%. Tiếp đó, kết quả của thu được từ mô hình sẽ được sử dụng để đối sánh với kết quả của nhóm tác giả khác đã thực hiện tại Hà nội năm 2015 và được công bố trong tài liệu [11]. Trong [11], các tác giả đã tiến hành thực nghiệm đo nhiệt độ các điểm trên bề mặt và theo chiều sâu lớp BTN. Điểm thử nghiệm trên phố Cầu Giấy hướng đi từ Cầu Giấy đi Kim Mã, trước trường Đại học Giao thông vận tải (đường vào bến xe buýt cũ). Đường đang khai thác, mặt đường BTN có bề dày 12 cm. Các điểm đo bao gồm một điểm sát mặt đường (M0), một điểm dưới mặt đường 20 mm (M1), một điểm – 50 mm (M2), 01 điểm – 90 mm (M3), 01 điểm – 115 mm (M4). Việc thực nghiệm được tiến hành trong 6 ngày 30/5, 01/6, 03/6, 04/6, 09/6 và 10/6/2015. Đo tự động liên tục trong ngày từ 8h00 đến 17h00, cứ 5 phút lấy số liệu 1 lần. Theo [11], thời điểm nhiệt độ cao nhất của lớp BTN nằm trong khoảng từ 13 đến 14 giờ. Biến thiên nhiệt độ trong ngày của lớp BTN cũng giống như các kết quả thu được từ mô hình, được thể hiện trong các hình từ 3.1 đến 3.3. Cũng theo [11] giá trị lớn nhất của nhiệt độ đo được tại điểm M0 là 66,8 oC; điểm M1 là 62,7 oC; điểm M2 là 59,8 oC, điểm M3 là 57,0 oC; điểm M4 là 54,4 oC. Bảng 3.2 thể hiện kết quả đối sánh giữa mô hình dự báo ở đây và kết quả vừa nêu trong [11]. Với sai lệch thu được, tiếp tục thấy rằng mô hình đảm bảo độ tin cậy để sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo. Về mức độ sai lệch của trường hợp tại điểm M4 có độ sâu 115 mm gần với bề mặt phân cách giữa lớp bê tông nhựa và lớp móng có thể được lý giải bởi giả thiết tiếp xúc lý -644-
  9. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải tưởng giữa các lớp vật liệu. - Bảng 3.2. Đối sánh mô hình và kết quả của Nguyễn Quang Phúc và đồng nghiệp [11] về giá trị thực nghiệm lớn nhất thu được Giá trị max Bề dày lớp Giá trị max từ mô TT Điểm đo thực nghiệm, Sai lệch, % BTN, cm o hình dự báo, oC C 1 0 mm 66.8 64.87 -2.89 2 20 mm 62.7 60.77 -3.08 3 50 mm 12 59.8 55.66 -6.92 4 90 mm 57.0 50.42 -11.54 5 115 mm 54.4 47.82 -12.10 Hình 3.4. Nhiệt độ tại sân bay Nội bài trong tháng 5 và tháng 6/2015 [22]. Để tiếp tục đánh giá độ tin cậy mô hình, số liệu thực nghiệm chi tiết của Nguyễn Quang Phúc trong [11] được đưa vào sử dụng. Trong số 6 ngày tiến hành thực nghiệm thì ngày 30/5/2015 là ngày nóng nhất theo số liệu từ website weather-online.co.uk [22] với thông tin tham khảo là nhiệt độ tại trạm đo sân bay Nội bài (hình 3.4). Do đó ở đây chỉ sử dụng kết quả đo chi tiết trong ngày 30/5/2015 để đối sánh. -645-
  10. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải - Bảng 3.3. Đối sánh mô hình và kết quả thực nghiệm của Nguyễn Quang Phúc và đồng nghiệp [11] theo thời gian trong ngày 30/5/2015 Điểm M0 Điểm M1 Điểm M2 Điểm M3 TT Thời gian Thực Mô Thực Mô Thực Mô Thực Mô Sai Sai Sai Sai nghiệm, hình, nghiệm, hình, nghiệm, hình, nghiệm, hình, oC o lệch, % oC o lệch, % oC o lệch, % oC o lệch, % C C C C 1 9:28:32 51.3 48.10 -6.24 47.8 43.22 -9.58 45.8 37.86 -17.34 43.7 33.53 -23.27 2 9:58:32 54.4 51.55 -5.24 51.1 46.27 -9.45 48.0 40.27 -16.10 46.0 35.16 -23.57 3 10:28:32 57.0 54.73 -3.98 53.4 49.19 -7.88 49.6 42.70 -13.91 46.7 36.90 -20.99 4 10:58:32 59.4 57.58 -3.06 54.6 51.91 -4.93 50.7 45.07 -11.10 48.5 38.70 -20.21 5 11:28:32 60.5 60.04 -0.76 56.9 51.91 -8.77 53.3 45.07 -15.44 49.5 38.70 -21.82 6 11:58:32 61.9 62.03 0.21 57.6 54.35 -5.64 54.0 47.31 -12.39 52.5 40.51 -22.84 7 12:28:32 63.7 63.53 -0.27 59.9 58.20 -2.84 56.0 51.22 -8.54 51.5 43.97 -14.62 8 12:58:32 64.6 64.49 -0.17 62.7 59.52 -5.07 52.8 52.79 -0.02 54.2 45.53 -16.00 9 13:28:32 64.4 64.89 0.76 61.9 60.37 -2.47 59.7 54.05 -9.46 55.8 46.93 -15.90 10 13:58:32 61.2 64.70 5.72 60.1 60.75 1.08 57.7 54.96 -4.75 54.8 48.14 -12.15 11 14:28:32 61.8 63.94 3.46 59.5 60.64 1.92 57.6 55.50 -3.65 55.4 49.11 -11.35 12 14:58:32 61.6 62.61 1.64 59.8 60.03 0.38 57.9 55.66 -3.87 55.7 49.83 -10.54 13 15:28:32 61.4 60.72 -1.11 59.9 58.93 -1.62 58.5 55.42 -5.26 55.3 50.27 -9.10 14 15:58:32 58.0 58.30 0.52 57.7 57.34 -0.62 57.1 54.78 -4.06 55.4 50.42 -8.99 15 16:28:32 56.5 55.38 -1.98 56.3 55.29 -1.79 56.0 53.75 -4.02 54.8 50.36 -8.10 16 16:58:32 53.9 52.03 -3.47 54.5 52.82 -3.08 54.9 52.34 -4.66 54.4 49.83 -8.40 17 17:28:32 51.0 48.28 -5.33 52.0 49.95 -3.94 52.8 50.56 -4.24 52.8 49.09 -7.03 Theo kết quả thu được từ bảng 3.3, ngoại trừ 9 thời điểm đầu đối với điểm M3 là điểm gần với bề mặt phân cách giữa hai lớp thì sai lệch giữa thực nghiệm và mô hình tại các điểm đo như đã nêu trên đều nằm trong phạm vi cho phép với lĩnh vực nhiệt. Theo đó, với điểm trên bề mặt (M0), sai lệch giữa thực nghiệm và kết quả mô hình dự báo dao động từ 0,17% đến 6,24%. Với điểm có độ sâu 20 mm (điểm M1) là từ 0,38% đến 9,58%. Với điểm có độ sâu 50 mm (M2) là chủ yếu nằm trong phạm vi từ 0,02% đến 17,34%. -646-
  11. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 4. KẾT LUẬN Bằng phương pháp biến đổi Laplace áp dụng cho mô hình toán học của bài toán truyền nhiệt qua các lớp mặt đường dạng nửa vô hạn cùng với một số giả thiết nhất định, nghiệm giải tích của bài toán đã được xác định. Trên cơ sở biến thiên giá trị của các số hạng thành phần trong nghiệm giải tích, mô hình dự báo trường nhiệt độ cho khu vực đồng bằng Bắc bộ đã được xây dựng. Mô hình dự báo được kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm và có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo. LỜI CẢM ƠN Cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải đã tài trợ cho cho nghiên cứu này trong khuôn khổ đề tài mã số T2019-CK-010. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. C. Yavuzturk; K. Ksaibati, A. D. Chiasson, Assessment of Temperature Fluctuations in Asphalt Pavements Due to Thermal Environmental Conditions Using a Two-Dimensional, Transient Finite-Difference Approach, Journal of Materials in Civil Engineering, Volume 17, Issue 4 (August 2005). [2]. Q. L. You, N. X. Zheng, G. L. Shi, Study on Temperature Distribution Characteristic of Asphalt Mixtures of Bridge Deck, Advanced Materials Research, Vols. 163-167, pp. 1829-1832, 2011. [3]. Wang, D, Simplified Analytical Approach to Predicting Asphalt Pavement Temperature, J. Mater. Civ. Eng., 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000826, 04015043, 2015. [4]. Qin, Y, Pavement surface maximum temperature increases linearly with solar absorption and reciprocal thermal inertial, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.032, 391-399. [5]. Vũ Duy Trường, Xác định sự phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa mặt đường khi nhiệt độ bề mặt thay đổi, Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt, tháng 5/2001. [6]. Trần Văn Bẩy, Khảo sát trạng thái nhiệt lớp bê tông nhựa mặt cầu dưới tác động của thay đổi thời tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí cầu đường Việt Nam, 2013. [7]. Nguyễn Quang Phúc, Phạm Thanh Hà, Lương Xuân Chiểu, Phân tích nhiệt độ trong các lớp mặt đường bê tông nhựa ở Hà nội, Tạp chí KH GTVT số đặc biệt, tháng 10/2015. [8]. Trần Thị Kim Đăng, Trần Văn Thiện, Diễn biến nhiệt độ hỗn hợp asphalt trong quá trình thi công và một số khuyến cáo trong thi công lớp hỗn hợp asphalt rải nóng, Tạp chí KH GTVT số đặc biệt, tháng 10/2015. [9]. Nguyễn Thống Nhất, Trần Văn Thiện, Phân bố nhiệt trong bê tông nhựa khu vực -647-
  12. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Nam bộ, Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 12/2015. [10]. Nguyễn Xuân Trưởng, Nghiên cứu đề xuất phân vùng nhiệt độ lựa chọn mác nhựa theo hệ thống Superpave ở Việt Nam. Luận văn Thạc sỹ, Đại học GTVT, 2015. [11]. Trần Văn Thiện, Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí khu vực Nam bộ đến thiết kế và khai thác kết cấu áo đường bê tông nhựa, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học GTVT, 2017 [12]. Nguyễn Mạnh Hùng, Nghiên cứu xác định điều kiện biên cho bài toán truyền nhiệt qua các lớp mặt đường nhựa khu vực đồng bằng Bắc Bộ, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 70, tập 1, tháng 8/2019. [13]. Lijun Sun, Structural Behavior of Asphalt Pavements, Elsevier Inc, 2016. [14]. Viljoen, A.W, Estimating asphalt temperatures from air tempe-ratures and basic sky parameters, Brummeria Pretoria, South Africa: Transportek, CSIR, 2001. [15]. QCXDVN 02:2008/BXD: Quy chuẩn xây dựng Việt Nam – Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng (phần 1), Hà nội, 2008. [16]. M. Ozisik, Heat conduction, John Wiley & Sons Inc, 1993. [17]. Harry Bateman, Tables of intergral transforms, Volume 1. McGraw-Hill Book Company, Inc, 1954. [18]. Manuel J. C. Minhoto, Jorge C. Pais, Paulo A. A. Pereira, Asphalt Pavement Temperature Prediction, Road Materials and Pavements Design, Volume X – No X/2005. [19]. Piotr Aliawdin, Jakub Marcinowski, Piotr Wilk, Theoretical and experimental analysis of heat transfer in the layers of road pavement, Civil and Environmental Engineering Reports, No1, 2005. [20]. Jiangang Qiao, Weizheng Liu, Research on the characteristics of temperature field of asphalt pavement in seasonal frozen region, 2014, Global Conference on Polymer and Composite Materials (PCM 2014), IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 62 (2014) 012012 doi:10.1088/1757-899X/62/1/012012. [21]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu, 22TCN 272-05. [22]. Website weatheronline.co.uk. -648-
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD


intNumView=11

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2