一种用于抗凝冰的路面盐溶液冻结时间预测方法

1.一种用于抗凝冰的路面盐溶液冻结时间预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、设定盐溶液的目标浓度，根据降雨量和撒盐区域的大小，确定盐的初始用量；步骤2、建立路-盐溶液-冰层状体系，并定义体系中道路结构层中的各层、盐溶液和冰的材料属性；步骤3、基于传热学理论，分析路-盐溶液-冰层状体系与外界环境以及体系内部的热交换信息，对体系中的道路结构层中的各层、盐溶液-冰层设定边界条件和建立控制方程；其中，所述路-盐溶液-冰层状体系与外界环境之间的热交换信息包括到达体系表面的太阳辐射量q s 、被路面吸收的太阳辐射量q in 、从路面表面向外散发的热辐射量q out 、由盐溶液-冰层表面上的气流引起的对流热通量q conv 、盐溶液冻结时产生的热流量q ss 和盐溶液表面的蒸发热流量q eva ；所述体系内部的热交换信息包括沿体系垂直方向的热传导量q cond ；对路-盐溶液-冰层状体系中的各层建立控制方程为：式(1)中，T m (x，t)是路-盐溶液-冰层状体系中第m层的温度；x是第m层到盐溶液表面的距离；t为时间；ρ m 、c m 、k m 分别为第m层的密度、比热容和导热系数；当m＝1时，表示盐溶液-冰层，此时q p 为盐溶液冻结过程中产生的热源项；当m≥2时，表示道路结构层中的各层，此时q p 为0；所述边界条件包括体系的上边界条件、道路结构层内部的边界条件、体系的下边界条件以及体系的初始条件；其中，所述体系的上边界条件为：式(2)中，k si 为盐溶液-冰层的导热系数；T si 为盐溶液-冰层的温度；所述道路结构层内部的边界条件为：T m (x，t)| x＝m ＝T m+1 (x，t)| x＝m (3)；式(3)和式(4)中，k m+1 分别为第m+1层材料的导热系数；T m 和T m+1 分别为第m层和第m+1层的温度；所述体系的下边界条件为：式(5)中，k bot 为体系底层的导热系数；T bot 为体系底层的温度；所述体系的初始条件为：T m (x，t)| t＝0 ＝T initial (6)；式(6)中，T initial 表示体系的初始温度；步骤4、采用Matlab软件对路-盐溶液-冰层状体系进行离散化处理，并采用有限差分法求解离散节点的控制方程；步骤5、基于盐溶液的冻结机理和相变理论，根据盐溶液的冰点与潜热值，建立盐溶液冻结算法；步骤6、求解路-盐溶液-冰层状体系的温度场，输出盐溶液的温度、浓度和冰点随时间的变化关系；步骤7、基于盐溶液潜热的变化，输出冰的厚度随时间的变化关系，结合盐的初始用量得到道路表面盐溶液的冻结时间。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，设定盐溶液的目标浓度为c，撒盐区域的面积为S，水的密度为ρ w ，假定加入盐后路表积水的厚度不变，所形成的盐溶液-冰层的总厚度为d，则盐的初始用量为M＝c·ρ w ·S·d。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述道路结构层包括由上至下依次设置的沥青混凝土面层、基层和土基；所述盐溶液-冰层设置在所述道路结构层的顶面上；所述材料属性包括密度、导热系数和比热容。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：步骤4.1、使用Matlab软件将路-盐溶液-冰层状体系离散化为多个子单元，每个子单元由离散节点来控制；离散节点的时间步长为Δt，离散节点从盐溶液-冰层至道路结构层底部分别为节点1,2，……m-1,m,m+1,……n，盐溶液-冰层的总厚度为d，由节点1控制；道路结构层的空间步长为Δx，由节点2-n控制；步骤4.2、采用有限差分法对控制方程离散化，并对于盐溶液-冰层，有限差分方程为：式(7)中，ρ si 表示盐溶液-冰层的密度、c si 表示盐溶液-冰层的比热容； 表示盐溶液-冰层在第p时间步的温度、 表示盐溶液-冰层在第p+1时间步的温度； 表示道路结构层的表层在第p时间步的温度；对于路-盐溶液-冰层状体系中道路结构的表层，有限差分方程为：式(8)中，ρ sur 、k sur 、c sur 分别表示道路结构的表层的密度、导热系数和比热容；Δx/2为道路结构的表层的控制单元厚度； 表示道路结构层的表层在第p+1时间步的温度； 表示道路结构层的表层下一层在第p时间步的温度；对于道路结构层内部，有限差分方程为：式(9)中， 分别表示第m层在第p时间步和第p+1时间步的温度； 分别表示第m-1层和第m+1层在第p时间步的温度；对于道路结构层不同材料层的界面，有限差分方程为：式(10)中，ρ m+1 、k m+1 和c m+1 分别表示第m+1层的密度、导热系数和比热容；ρ m-1 、k m-1 和c m-1 分别表示m-1层的密度、导热系数和比热容。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5具体为：根据盐溶液的冰点、潜热值与浓度之间的关系，建立盐溶液冻结算法；其中，每一时间步盐溶液的冻结算法完成后进入道路结构内的温度场进行一次计算。