渡槽是我们熟知的一种长距离输水建筑物,由于西北地区冬季气候寒冷,冬季输水时期渡槽水温下降会产生冰花,槽体也会产生裂缝,不利于渡槽安全输水。随着一系列引水工程的兴起,渡槽引水安全研究逐渐进入公众视野。然而,对冬季输水过程中结冰水深的预测和分析尚不深入,因此,本文基于庄浪河长大渡槽工程,研究不同气温下的结冰临界水深大小,及最不利工况时的温度效应问题,从而在实际输水过程中对水深值进行控制,以满足安全输水的要求。本文根据稳态传热过程进行理论分析,应用ANSYS FLORTAN软件建立渡槽的空间三维立体模型,并引用导热微分方程、牛顿冷却公式和曼宁公式,采用模型和理论计算相结合的方式,依据流-固-热耦合场进行分析,研究保温和不保温时不同外界气温下水温下降值与水深变化之间的关系,以及极端寒冷气温下温度效应问题。最后对保温和不保温时不同外界气温下水深预测及温度效应研究进行分析,可以得到如下结论:(1)槽内水体结冰时间的影响因素有:入口水温t_w、外界气温t_f、水深h,有无保温措施。水温降低本质是由于槽内水温和外界温度不同产生的温差导致的。渡槽中水的热量损失主要分为三部分:水与空气的对流换热、空气与渡槽壁面的对流换热、水沿渡槽槽身的热传导。(2)外界环境温度相同的情况下,水深越小,对应的水的入口流速越小,流经渡槽时所用的时间越多,热量损失越多,出口温度越低。水深越大,对应的水的入口流速越大,流经渡槽时所用的时间越少,热量损失越少,水温降低值越小;外界大气温度越低,水的热量损失越大,水温下降的越多,出口水温的温度越低。当外界气温达到-25℃时,流经整个渡槽时,槽内水体温度会降低到零度以下,产生冰害,摩擦碰撞槽体,对槽体结构产生危害,不能保证安全输水。(3)当外界气温升高和水深增大,水体温降都会减小,当水深增大4.2倍,水温降值减小约7倍;外界温度下降5倍,水温降值减小约3.3倍,可见水温下降对水深度变化比较敏感,因此冬季输水为保证槽内水体不结冰,应该保持槽内较高流量。(4)当外界温度为-25℃的极端寒冷温度时,且水深低于1m时,出口水温会降低到零度以下,产生冰花,这对渡槽安全输水是极为不安全的。因此可以采取顶部加盖或附保温板的措施,来减少热量损失,从而保证即使在极端寒冷温度时,渡槽水温也不会降低到零度以下。(5)渡槽顶部加盖或附保温板,流体热量损失和水温降低幅度明显减小。加盖时热量损失和水温下降值比无保温措施减小约0.34倍;附保温板时热量损失和水温下降值比无保温措施减小约0.16倍;加盖同时附保温板时热量损失和水温下降值比无保温措施减小约0.47倍。其中加盖且附保温板时水温下降值最少。(6)渡槽内壁温度与水温相等,渡槽外壁温度接近大气温度,内外温度差会产生温度应力,使得渡槽壁面受温度应力影响,结构产生变形,表面产生裂缝,这对槽体耐久性和使用寿命都有不利影响,因此应该研究温度效应的大小。在极端寒冷温度下,渡槽壁面温度应力是5.14MPa,可以采取相应措施,以保证槽体结构安全。