DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.12.030

机场混凝土道面微波除冰仿真与试验研究

陆松¹，许金余^{1, 2}，白二雷¹，刘俊良¹

(1. 空军工程大学 机场建筑工程系，陕西 西安，710038；

2. 西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安，710072)

摘要：分析微波频率和道面材料特性对机场道面微波除冰效率的影响。运用COMSOL Multiphysics建立微波除冰仿真模型，采用自主设计的微波除冰装置进行试验研究。以混凝土表面升温至0 ℃的升温速率作为除冰效率的评价指标。研究结果表明：微波能够透过冰层加热混凝土，使冰层与混凝土表面脱离；相对于频率为2.45 GHz微波，频率为5.8 GHz微波穿透深度降低到45%，除冰效率提高了5倍左右；相对于普通混凝土，掺入“铁黑”吸波材料的混凝土除冰效率提高了1.8倍左右；仿真结果与试验结果较接近，验证了仿真模型具有较高的准确性，微波除冰方法具有一定的可行性。

关键词：机场道面；混凝土路面；微波除冰；COMSOL Multiphysics；道面材料

中图分类号：U418.326             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)12-3366-07

Simulation and experimental study of microwave deicing in airport concrete pavement

LU Song¹, XU Jinyu^{1, 2}, BAI Erlei¹, LIU Junliang¹

(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;

2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China)

Abstract: The effects of microwave frequency and pavement material type on microwave deicing efficiency were investigated. The microwave deicing simulation model was established by using COMSOL Multiphysics. The experiment research was carried out with self-designed microwave deicing device to validate the rationality of simulation model. The temperature rising rate of concrete surface heating up to 0 ℃ was used to be as an evaluating indicator for deicing efficiency. The results show that the ice layer hardly absorbs microwave energy and microwave can penetrate through the ice layer to heat up concrete, then the ice and the concrete surface detach. Compared with 2.45 GHz microwave, 5.8 GHz microwave has a low heating depth and high deicing efficiency, with heating depth reduced by 45% and deicing efficiency increased by about 5 times. Compared with ordinary concrete, the incorporation of “iron black” in concrete can increase the deicing efficiency to about 1.8 times. The simulation results are similar to experiment results, which shows the simulation model has a high accuracy, and the microwave deicing is feasible.

Key words: airport pavement; concrete pavement; microwave deicing; COMSOL Multiphysics; pavement materials

冬季结冰会使道面摩擦因数大大降低，在结冰路面上，汽车制动困难容易发生交通事故，飞机滑跑距离增大极易发生冲出跑道事故，道面结冰严重威胁到交通运输安全^[1]。因此，有效清除道面积冰，尤其是对高速公路、机场等重要交通设施，具有十分重要的意义。传统的除冰方法中，机械法需要较多的人力和物力，且容易造成道面机械性破坏^[2]；化学法中的融雪剂渗入到道面内部后容易腐蚀道面，降低道面力学性能，且融雪后的融雪剂流动到道面旁边后容易造成环境污染^[3]；热力法有内加热法和外加热法，内加热法是指将发热体埋在道面内部，这种方法施工困难、能耗大，对厚冰除冰效果不理想^[4]；外加热法是指利用旧航空发动机喷出的高温气流来融化冰雪，效率较高，但是航空发动机耗油量大，喷出的气流温度高达400~500 ℃，容易造成道面高温损伤^[5]。陈渊召等^[6]提出了采用橡胶颗粒沥青路面进行除冰的方法，但是橡胶颗粒不适用于机场跑道等对强度要求较高的混凝土道面。微波加热具有热惯性小，加热速度快，环保无污染等特点，冬季在机场中应用微波加热进行除冰具有较好的前景。20世纪80年代美国就提出了微波除冰的研究，但是由于除冰效率较低，一直未得到推广应用^[7]。HOPSTOCK等^[8]为了提升路面吸波升温能力，提出了将铁燧岩作为路面材料进行道路施工，并修筑了“微波路”，目前除冰效果正在检测中。关明慧等^[9]采用家用微波炉加热结冰路面试件，表明了微波除冰方法具有一定的可行性，但是对于微波除冰效率及其影响因素缺少深入分析。焦生杰等^[10-11]针对沥青路面应用微波除冰，分析了影响除冰效率的关键因素，并进行了仿真和试验研究，由于水的吸波升温性能较强，部分冰融化成水后对路面温度场分布影响较大，但是在仿真过程并没有考虑这部分水的影响。COMSOL Multiphysics 是一款综合性多物理场耦合仿真软件，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场，本文作者采用 COMSOL Multiphysics 软件建立微波除冰仿真模型来进行机场道面微波除冰的仿真研究，分析微波除冰机理及影响微波除冰效率的关键因素；为了提高机场道面微波除冰效率，建立微波仿真模型，对微波频率和道面材料这2个关键因素进行了深入分析；为了验证仿真模型的准确性，采用自行设计的微波除冰装置进行了试验研究，以混凝土表面升温至0 ℃的升温速率作为除冰效率的评价指标，得到了微波频率和道面材料与微波除冰效率的关系。

1  微波除冰机理分析

机场道面微波除冰是指利用微波的热效应加热混凝土，使冰与道面表层脱离，再利用机械除冰装置轻易地将脱离的冰层清除干净，从而达到除冰的目的。大部分介质在微波作用下都会吸收微波，产生热量。被加热的介质一般可以分为有极性电介质和无极性电介质。有极性电介质在没有电场时不显示极性，如果将这种极性电介质放在外加电场中，每个极性分子会沿着电场方向发生偏转，形成有序排列，产生极化，在介质表面感应相反的电荷，当电场方向发生改变时，这种极性分子的极化方向会沿着电场方向的改变而改变。有极性分子极化示意图如图1所示。

图1  极性电介质极化示意图

Fig. 1  Polar diagram of dielectric polarization

根据微波加热原理，微波在单位体积介质内消耗的功率可以表示为^[12]：

       (1)

式中：P为单位体积介质内消耗的功率；f为微波频率；E为介质内电场强度；为介质相对介电常数；tanδ为介质损耗角常数。

根据式(1)，介质吸收微波的升温性能与多种因素有关。不同频率微波在介质内部作用的深度和效率各不相同，一般来说，微波频率越高，介质内作用深度越小，加热效率越高^[12]，因而微波频率是影响介质升温性能的重要因素。介质内的电场强度与微波功率有关，电场强度越大，介质极化程度越大，介质吸波升温越快。相对介电常数和损耗角常数是介质材料的固有属性，表征介质吸收微波能量的能力，其值越大，介质的吸波升温性能越强。相关物质的特性参数如表1所示，其中冰的损耗角常数非常低，冰层对于微波几乎是透明的，几乎不吸收微波^[1]，因而在微波除冰过程中，微波可以透过冰层加热混凝土道面，从而使冰层与道面脱离。

表1  相关物质的特性参数

Table 1  Characteristic parameters of related substances

2  微波除冰仿真模型和试验装置

2.1  仿真模型

微波除冰车的加热墙是由多个磁控管和波导并列分布的，为了简化分析，不考虑多个波导微波之间的耦合，以单个磁控管和波导为研究对象。2.45 GHz微波在混凝土中的穿透深度约为112 mm^[13]，5.8 GHz微波在混凝土中的穿透深度更小，因此试件厚度选择为150 mm，冰层的厚度选择为15 mm。采用COMSOL建立仿真模型如图2所示，仿真模型由混凝土试件、冰层、波导和空气域组成，混凝土试件长×宽×高为150 mm×150 mm×150 mm，2.45 GHz微波波导口长×宽为109.2 mm×54.6 mm，5.8 GHz微波波导口长×宽为40.4 mm×20.2 mm。采用完美匹配层模拟自然开放环境下的微波辐射特性，采用相变传热模拟冰融化成水的过程，冰融化成水的潜在热为333 kJ/kg。由表1可知：水的相对介电常数和损耗角常数远比冰的大，因此冰融化成水后，就不得不考虑水的吸波升温影响，本研究中考虑这部分水的影响。坐标系原点位于混凝土表面中心，z轴正方向指向波导，定义路径1为点(0，0，-150)到点(0，0，15)，即混凝土底面中心到冰层表面中心。

图2  微波除冰模型

Fig. 2  Microwave deicing model

2.2  试验研究

采用自主设计的微波除冰试验装置进行试验研究，如图3所示，试验装置由磁控管、波导、波导口高度调节杆、冷却系统及电路系统组成。试件长×宽×高为150 mm×150 mm×150 mm，冰层厚度15 mm，在冰层与混凝土表面中心接触处粘贴热电偶，记录混凝土表面温度变化规律。

图3  微波除冰试验装置

Fig. 3  Microwave deicing experiment device

3  微波频率对除冰效率的影响

频率为2.45 GHz微波在微波炉及工业加热中应用比较广泛，但是在微波除冰应用中，仅仅关注道面表层的温度变化，频率为5.8 GHz微波加热效率高，穿透深度低，本研究中将频率为2.45 GHz和5.8 GHz微波应用到微波除冰中进行仿真和试验研究。

3.1  仿真研究

设定环境温度、混凝土温度及冰层温度为-10 ℃，波导口高度为20 mm。设定波导端口激励功率为1 500 W，采用 COMSOL Multiphysics 软件模拟微波除冰过程。

图4所示为在2种频率下混凝土表面最高温度随时间的变化规律。由图4可知：频率为2.45 GHz微波作用下混凝土表面温度达到0 ℃时，微波作用时间为28 s，温升速率为0.36 ℃/s；而频率为5.8 GHz微波作用下混凝土表面温度达到0 ℃时，微波作用时间为5 s，温升速率为2 ℃/s。因此，频率为5.8 GHz微波的除冰效率是频率为2.45 GHz微波的5.6倍，这主要是因为在频率为5.8 GHz微波作用下，介质极化方向变化快，极化分子摩擦大，从而使得介质内部生热快，温度高。同时可以看出：在微波作用下，混凝土表面温度达到0 ℃后，温升速率明显增大，这主要是因为冰融化水后，水的吸波升温性能较强，产生较多的热量，因而混凝土表面温升速率增大。从图4可以看出：在频率为5.8 GHz微波作用下温度曲线的增长率是先增加后减小再增加，在作用时间为12 s和18 s时，温度曲线有明显的转折。这主要是因为已经融化的水升温到一定程度时，被周围温度较低的冰层吸收较多的热量，使得升温速率减小；冰融化成水后增大了吸波升温能力，从而使升温速率继续增大。

以路径1为例分析混凝土内部的电场模，图5所示为不同频率微波在混凝土内部的电场分布。根据微波穿透深度e^-1(=0.368)标准^[12]，把混凝土内部某处电场模衰减为混凝土表面电场模e^-1时，将某处以上的部分称为穿透深度。由图5可知：频率为2.45 GHz微波在混凝土表面的电场模为8.21 kV/m，则其穿透深度为118 mm(电场模为3.02 kV/m)；频率为5.8 GHz微波在混凝土表面的电场模为12.38 kV/m，则其穿透深度为53 mm(电场模为4.56 kV/m)。频率为5.8 GHz微波穿透深度仅为2.45 GHz微波的44.9%，表明频率为5.8 GHz微波更有利于除冰应用。

以路径1为例分析2种频率微波作用下，混凝土表面达到0 ℃时，混凝土内部的温度场分布，如图6所示。在这2种微波频率作用下，混凝土内部垂直方向温度场分布规律比较接近，冰层表面的温度不高，随着深度增加，温度逐渐升高，直到混凝土内部深度约10 mm处，温度达到峰值；然后随着深度增加，温度逐渐降低。同时可以看出：频率为5.8 GHz微波穿透深度小，混凝土内部升温区域基本集中在混凝土表面附近；而频率为2.45 GHz微波穿透深度大，混凝土内部升温区域较大，相对于频率为5.8 GHz微波，表面区域吸收热量占总生成热量比例小，除冰效率相对较低。

图4  试件表面最高温度随时间的变化规律

Fig. 4  Maximum temperature of specimen surface with time

图5  试件内部电场模分布

Fig. 5  Internal electric field distribution of specimen

图6  试件内部温度场分布

Fig. 6  Temperature field distribution of specimen

3.2  试验研究

依据机场配合比设计原理制备混凝土试件，并在冰箱冻制冰层，如图7所示。设定磁控管功率为1 500 W，波导口高度为20 mm，采用微波除冰实验装置进行微波除冰试验，分别测试在频率分别为2.45 GHz和5.8 GHz微波作用下混凝土表面的升温规律，微波作用后的冰层如图8所示。由图8可知：微波作用后，混凝土表面接触处的冰层首先融化，在冰层内部形成一层液体空间，从而使冰层与混凝土表面脱离，即可快速去除冰层。表明冰层吸收微波能力较弱，微波能够透过冰层加热混凝土，从而达到微波除冰的目的。

通过热电偶检测混凝土表面与冰层接触处的温度变化，试验结果如表2所示。由表2可知：试件的初始温度(即环境温度)能够影响微波除冰效率，初始温度越低，微波加热时间越长；在频率为2.45 GHz微波作用下，试件表面的平均升温速率为0.34 ℃/s，在频率为5.8 GHz微波作用下，试件表面的平均升温速率为1.72 ℃/s，则频率为5.8 GHz微波的除冰效率频率为2.45 GHz微波的4.99倍，与仿真结果比较接近，表明仿真研究具有一定的可靠性。另外，试验研究得到的除冰效率略低于仿真研究时的除冰效率，这主要是因为仿真研究中将材料的电磁参数及热参数定义为常数，而实际中材料的电磁参数与热参数与材料的温度有关，尤其是电磁参数还与微波的频率有一定关系。

图7  覆盖冰层试件

Fig. 7  Specimen covered with ice

图8  微波作用后的冰层

Fig. 8  Ice after microwave

4  道面材料对除冰效率的影响

物料的吸波升温能力与相对介电常数和损耗角常数有关。“铁黑”吸波材料是一种等轴晶系的氧化物矿物，其化学成分主要为Fe₃O₄，具有较强的磁性，由磁铁矿制备而来。铁及其氧化物，在微波作用下具有较强的吸波升温性能^[14-15]。为了提高混凝土的吸波升温性能，将“铁黑”以一定比例掺入到混凝土中，本研究中取“铁黑”掺量为水泥掺量的10%。经过计算，得到10%掺量的铁黑混凝土的新介电常数为28，损耗角常数为0.075。对普通混凝土和铁黑混凝土进行仿真和试验研究。

4.1  仿真研究

设定冰层和混凝土的初始温度为-10 ℃，微波端口激励频率为2.45 GHz，功率为1 500 W，波导口高度为20 mm，采用 COMSOL Multiphysics软件分别模拟普通混凝土和铁黑混凝土微波除冰过程，混凝土表面最高温度随时间的变化规律如图9所示。在频率2.45 GHz，功率1 500 W的微波作用下，铁黑混凝土表面最高温度达到0 ℃的时间为15 s，升温速率为0.67 ℃/s，是普通混凝土除冰效率的1.87倍。由铁黑混凝土表面升温曲线可知，表面温度达到0 ℃一段时间后，升温速率逐渐增大，后又逐渐降低，然后又逐渐增大，这主要是因为冰融化的水达到一定量后吸波性能增强，升温速率增大，然后升温后的水融化周围冰层，使升温速率降低。

表2  不同微波频率下试件的除冰效率

Table 2  Deicing efficiency of specimen under different microwave frequency

图9  混凝土表面最高温度随时间的变化规律

Fig. 9  Change of maximum surface temperature of concrete with time

以路径1为例，在混凝土表面最高温度达到0 ℃时，分析这2种混凝土内部垂直方向的温度场分布，如图10所示。在2类混凝土表面最高温度达0 ℃时，混凝土内部温度场分布规律基本类似，但是铁黑混凝土内部最高温度为7.9 ℃，普通混凝土内部最高温度为12.4 ℃，且在相同深度下铁黑混凝土内部温度低于普通混凝土。这是由于掺入“铁黑”吸波材料后，混凝土介电常数增大，微波渗透深度降低，表面升温速率较快，因而当试件表面达到0 ℃时，铁黑混凝土微波加热时间短，相同深度下铁黑混凝土内部温度低于普通混凝土。

图10  不同混凝土内部温度场分布

Fig. 10  Temperature field distribution of different concretes

4.2  试验研究

分别制备普通混凝土和10%掺量的铁黑混凝土，设定微波频率为2.45 GHz，采用微波除冰实验装置进行试验，分别测试这2组试件的除冰效率，试验结果如表3所示。由表2和表3可知：在频率为2.45 GHz微波作用下，普通混凝土表面的升温速率为0.34 ℃/s，铁黑混凝土表面的升温速率为0.58 ℃/s，表明铁黑混凝土微波除冰效率为普通混凝土的1.71倍，与仿真结果比较接近，验证了仿真结果的合理性。

表3  铁黑混凝土的微波除冰效率

Table 3  Microwave deicing efficiency of iron-black concrete

5  结论

1) 微波频率和道面材料类型是影响微波除冰效率的关键因素，并以混凝土表面升温至0 ℃的升温速率作为除冰效率的评价指标。

2) 冰层几乎不吸收微波，微波能够透过冰层加热混凝土，表明微波除冰方法具有一定的可行性。

3) 仿真结果与实验结果较为接近，表明COMSOL Multiphysics软件建立的微波除冰仿真模型具有较高的准确性。

4) 相对于频率为2.45 GHz微波，频率为5.8 GHz微波具有较高的微波除冰效率，相对于普通混凝土，铁黑混凝土具有较高的微波除冰效率。

5) 微波除冰方法是一种绿色环保，应用前景广阔的新型智能除冰方法，能够克服传统除冰方法中的诸多缺点。在未来微波除冰方法的研究和推广应用中，应该重点研究除冰效率较高的频率为5.8 GHz微波以及吸波性能较强的路面材料。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-03-29

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51208507，51378497)(Projects(51208507, 51378497) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：陆松，博士，从事机场道面施工及维护管理方面研究；E-mail：lusong647@163.com