馬登成, 李 旋, 李 宗

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

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葉片結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料加熱滾筒溫度場(chǎng)分析

馬登成, 李 旋, 李 宗

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

為了深入分析葉片結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料加熱效果的影響,提高熱風(fēng)式瀝青路面養(yǎng)護(hù)車的加熱效率,文章建立了2種典型葉片結(jié)構(gòu)的瀝青混合料加熱滾筒三維分析模型,采用有限容積法,利用混合模型、滑移網(wǎng)格模型、標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型和傳熱模型對(duì)瀝青混合料的加熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到滾筒出風(fēng)口溫度變化曲線與滾筒內(nèi)溫度場(chǎng)分布云圖,分析了葉片結(jié)構(gòu)、滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料加熱效率的影響。研究結(jié)果表明:滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)L形葉片結(jié)構(gòu)加熱效率影響較大,原因是轉(zhuǎn)速對(duì)提料葉片形成料簾的影響較大,轉(zhuǎn)速為7 r/min時(shí),加熱效率最高,用時(shí)最短為1 670 s,同時(shí)混合料溫差最小,加熱均勻性最好;滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)葉片加熱效率影響不大,為降低能耗,轉(zhuǎn)速為5～6 r/min最佳。

葉片結(jié)構(gòu);熱風(fēng)加熱;瀝青混合料;加熱效率;數(shù)值模擬

0 引 言

隨著公路里程數(shù)的增加,瀝青路面的養(yǎng)護(hù)量與日俱增,尤其是市政道路要求快速養(yǎng)護(hù)、快速通車,對(duì)養(yǎng)護(hù)車的施工效率提出了更高的要求[1-2]。對(duì)于瀝青混合料的加熱方式科研人員已進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)瀝青混合料熱再生加熱方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)[4]對(duì)微波加熱濕舊瀝青混合料進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析;文獻(xiàn)[5]通過(guò)試驗(yàn)研究了加熱溫度和時(shí)間對(duì)瀝青混合料老化的影響。因此,出現(xiàn)了多種加熱方式與結(jié)構(gòu)形式的瀝青路面養(yǎng)護(hù)車,其中熱風(fēng)式滾筒加熱養(yǎng)護(hù)車因加熱效率高、加熱時(shí)間短、燃料來(lái)源方便等優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多的重視[6]；但是,滾筒內(nèi)部葉片結(jié)構(gòu)的差異對(duì)瀝青混合料的加熱具有很大的影響,很多企業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)只能借鑒拌合站加熱滾筒、水泥混凝土攪拌滾筒等設(shè)備的葉片結(jié)構(gòu)[7-8]；對(duì)瀝青混合料加熱攪拌滾筒的加熱效率進(jìn)行驗(yàn)證主要還是試驗(yàn)對(duì)比的方式,對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)的滾筒進(jìn)行試驗(yàn)就必須試制不同的滾筒,導(dǎo)致成本過(guò)高、周期較長(zhǎng)等弊端。目前關(guān)于這方面的理論研究和仿真分析還鮮有報(bào)道,可供借鑒的方法、技術(shù)手段、參考資料也十分有限。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)軟件的發(fā)展,以加熱滾筒實(shí)際結(jié)構(gòu)為模型進(jìn)行加熱分析已成為可能,通過(guò)流體力學(xué)分析軟件Fluent分析不同葉片結(jié)構(gòu)對(duì)加熱滾筒加熱效率的影響[9-10]。

因此,本文提出采用仿真的方法進(jìn)行溫度場(chǎng)分析,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析,選取最佳的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試制可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期與研發(fā)成本,為企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供借鑒與指導(dǎo),同時(shí),為該類產(chǎn)品的研發(fā)提供一種新的研究思路與仿真方法。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 滾筒內(nèi)瀝青混合料流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

加熱滾筒內(nèi)部瀝青混合料的流動(dòng)屬于復(fù)雜的湍流,采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型來(lái)進(jìn)行瀝青混合料的流動(dòng)模擬[11-14],滾筒內(nèi)部有空氣和混合料,歐拉模型是Fluent中最復(fù)雜的多相流模型,能夠更為準(zhǔn)確地描述瀝青混合料在滾筒內(nèi)部的加熱過(guò)程,因此選用歐拉多相流模型分析瀝青混合料加熱過(guò)程的溫度場(chǎng),其連續(xù)性方程為:

(1)

歐拉多相流模型的動(dòng)量方程為:

(2)

1.2 傳熱數(shù)學(xué)模型

熱風(fēng)加熱時(shí)滾筒內(nèi)瀝青混合料的加熱主要以熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)為主[12],其混合模型的能量方程為:

(3)

其中,Ek為第k相所包含的能量,對(duì)于不可壓相Ek=hk,hk為第k相的顯焓;keff為有效熱傳導(dǎo)率;SE為所有的體積熱源;T為溫度。

2 仿真模型建立與網(wǎng)格劃分

加熱滾筒分為圓柱段和圓錐段,圓錐段長(zhǎng)度為28 cm,整個(gè)加熱滾筒處于保溫層內(nèi)。加熱區(qū)集中在圓柱段,因此,只建立加熱滾筒圓柱段的三維模型,如圖1所示,其中葉片選取典型的L形和螺旋形。

圖1 滾筒三維模型

滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

加熱滾筒葉片網(wǎng)格模型如圖2所示。其中,L型葉片單元網(wǎng)格最小體積為6.58×10-6m3,最大體積為5.24×10-5m3;螺旋形葉片單元網(wǎng)格最小體積為3.31×10-6m3,最大體積為4.27×10-5m3。為了簡(jiǎn)化模型,將滾筒外壁面定義為絕熱壁面。

圖2 加熱滾筒網(wǎng)格模型

滾筒結(jié)構(gòu)其他仿真參數(shù)設(shè)定為:混合料表面高度454 mm,混合料總質(zhì)量2.1 t,滾筒內(nèi)部其余部分為空氣。瀝青混合料的物性參數(shù)為:密度2 450 kg/m3,比熱容1 680 J/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)3.05 W/(m·k)。瀝青混合料在加熱過(guò)程中黏度變化較大,采用分段線性函數(shù)進(jìn)行定義。瀝青混合料處于常溫時(shí)是塊狀離散體,可看成牛頓流體時(shí)黏度系數(shù)取小值,具體設(shè)定見(jiàn)表1?？諝庀嗟奈镄詤?shù)采用默認(rèn)設(shè)置值為:熱風(fēng)溫度400 ℃,入風(fēng)口直徑600 mm,風(fēng)速1.36 m/s；加熱滾筒轉(zhuǎn)速分別設(shè)為5、6、7 r/min。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)的溫度場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)，2種葉片結(jié)構(gòu)的滾筒在加熱過(guò)程中出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度變化曲線與滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 5 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度變化曲線

圖4 5 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線

由圖3可知,2種葉片結(jié)構(gòu)的滾筒出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度波動(dòng)較大,這是由滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部瀝青混合料形成的料簾的變化引起的。當(dāng)料簾形成較好時(shí),熱風(fēng)與混合料的熱交換充分,出風(fēng)口的溫度則較低;當(dāng)料簾形成較差時(shí),熱風(fēng)與混合料的熱交換不充分,出風(fēng)口的溫度就會(huì)增高,呈現(xiàn)出劇烈波動(dòng),與實(shí)際工況相符。此外,隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),滾筒出風(fēng)口的溫度平均值逐漸升高,這是由于在加熱過(guò)程中隨著瀝青混合料溫度不斷升高,混合料與熱風(fēng)的溫差變小,換熱量逐漸降低,熱風(fēng)的溫降逐漸減少。

同理,圖4中也說(shuō)明了這一變化。另外,對(duì)比圖3a和圖3b可知,L形葉片滾筒出口溫度一開(kāi)始高于螺旋葉片滾筒,這是由于L形葉片滾筒在初始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)料簾形成不如螺旋形,沒(méi)有形成較好的熱交換,這也使得加熱效率比后者低,如滾筒內(nèi)瀝青混合料加熱到160 ℃,L形葉片需要1 940 s,而螺旋形葉片只需1 760 s。這可以從圖4的滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線得到驗(yàn)證。

混合料加熱到160 ℃時(shí)滾筒在截面Z=0和X=1 000 mm處滾筒內(nèi)部瀝青混合料內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖如圖5所示(X、Z分別代表X、Z坐標(biāo)軸,以下同)。

由圖5可知,采用熱風(fēng)加熱瀝青混合料時(shí),2種葉片滾筒內(nèi)部混合料受熱均勻,加熱質(zhì)量較高。在滾筒旋轉(zhuǎn)和滾筒葉片的綜合作用下,混合料隨著滾筒旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí),有少部分混合料緊貼滾筒壁面沒(méi)有落下,這極小部分混合料在高溫空氣和高溫滾筒壁面共同傳熱作用下溫度比落回滾筒下半部分的混合料溫度更高。熱風(fēng)出口在左側(cè),熱風(fēng)吹到滾筒左側(cè)壁面上有回流,且混合料在右側(cè)堆積較多,故滾筒左側(cè)部分混合料分布較少的區(qū)域溫度稍高。

圖5 5 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒內(nèi)部瀝青混合料內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖

3.2 轉(zhuǎn)速為6 r/min時(shí)的溫度場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)速為6 r/min時(shí),滾筒在加熱過(guò)程中出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度變化曲線與滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 6 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度變化曲線

圖7 6 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線

由圖6可知,加熱滾筒出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度波動(dòng)較大,這與圖3中反映出的問(wèn)題一致,不再贅述。但是,對(duì)比圖6a和圖6b,與圖3不同的是,L形葉片滾筒出風(fēng)口溫度與螺旋葉片滾筒出風(fēng)口溫度開(kāi)始時(shí)基本相同,說(shuō)明隨著轉(zhuǎn)速提高,L形葉片提料作用增強(qiáng),形成較好的料簾,提高了熱交換。

由圖7可知,滾筒內(nèi)瀝青混合料加熱到160 ℃,L形葉片需要1 750 s,螺旋形葉片需要1 730 s,說(shuō)明轉(zhuǎn)速提高時(shí)L形葉片滾筒形成的料簾質(zhì)量更高,熱交換更為充分。

考慮到篇幅,以下只取滾筒在X方向1 000 mm(即滾筒顳部中心位置)處溫度云圖。混合料加熱到160 ℃時(shí)滾筒在截面X=1 000 mm滾筒內(nèi)部瀝青混合料內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖如圖8所示。

圖8 6 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒內(nèi)部瀝青混合料內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖

從圖8可知,采用熱風(fēng)加熱瀝青混合料受熱非常均勻,加熱效果很好。在滾筒旋轉(zhuǎn)和滾筒葉片的綜合作用下,混合料隨著滾筒旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí),有少部分混合料緊貼滾筒壁面沒(méi)有落下,這極小部分混合料在高溫空氣和高溫滾筒壁面共同傳熱作用下溫度比落回滾筒下半部分的混合料溫度更高。熱風(fēng)入口在右側(cè),右側(cè)的混合料溫度稍高于左側(cè)。

3.3 轉(zhuǎn)速為7 r/min時(shí)的溫度場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)速為7 r/min時(shí),滾筒在加熱過(guò)程中出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度變化曲線與滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 7 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度變化曲線

圖10 7 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度變化曲線

由圖9可知,加熱滾筒出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度波動(dòng)有所減緩,這是由于隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提升混合料的料簾形成狀況更為穩(wěn)定,相應(yīng)的出風(fēng)口熱風(fēng)溫度的波動(dòng)程度有所減緩。

對(duì)比圖9a、圖9b以及圖10可以得出,混合料加熱至160 ℃時(shí)，L形葉片需要1 670 s,螺旋形葉片需要1 732 s,可見(jiàn)當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速提高時(shí)L形葉片提料效果更好,因此熱交換充分,加熱效率更高。

對(duì)比圖8與圖10可以發(fā)現(xiàn),隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高,L形葉片的滾筒加熱時(shí)間繼續(xù)縮短,從1 750 s減少至1 670 s,但提升效果已經(jīng)不明顯；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí),加熱時(shí)間上升至1 730 s,可見(jiàn)一味地提高滾筒轉(zhuǎn)速并不能減少加熱時(shí)間,反而會(huì)造成能耗的增加。而對(duì)于螺旋葉片的滾筒,轉(zhuǎn)速對(duì)其加熱速度影響不大,考慮到轉(zhuǎn)速提高增加能耗的原因,建議轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 r/min。

同樣,為了進(jìn)一步全面分析加熱滾筒內(nèi)部瀝青混合料的溫度場(chǎng)分布情況,取計(jì)算模型中截面Z=0(即OXY平面)作為研究對(duì)象,分析瀝青混合料加熱至所要求的160 ℃后滾筒內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。

不同螺旋角螺旋葉片將滾筒內(nèi)部瀝青混合料加熱至所要求的160 ℃后,轉(zhuǎn)速6 r/min時(shí)滾筒內(nèi)瀝青混合料溫度場(chǎng)分布云圖如圖11所示。

圖11 加熱至160 ℃后滾筒內(nèi)部瀝青混合料內(nèi)部溫度場(chǎng)分布云圖

從圖11可知,采用熱風(fēng)加熱瀝青混合料受熱非常均勻,加熱效果很好。在滾筒旋轉(zhuǎn)和滾筒葉片的綜合作用下,混合料隨著滾筒旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí),有少部分混合料緊貼滾筒壁面沒(méi)有落下,這一極小部分混合料在高溫空氣和高溫滾筒壁面共同傳熱作用下其溫度比落回滾筒下半部分的混合料溫度更高。熱風(fēng)入口在右側(cè),右側(cè)的混合料溫度稍高于左側(cè)。仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2所列。

表2 仿真結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出,對(duì)于L形葉片的加熱滾筒,滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)加熱效率影響較大,主要是由于轉(zhuǎn)速變化時(shí)提料葉片形成料簾的能力發(fā)生變化;從結(jié)果來(lái)看,轉(zhuǎn)速為7 r/min時(shí)加熱效率最高,用時(shí)最短為1 670 s,同時(shí)混合料溫度也非常均勻,說(shuō)明加熱均勻性最好；由于其他仿真條件不變,因此轉(zhuǎn)速為7 r/min時(shí)其節(jié)能效果最佳。對(duì)于螺旋形葉片的加熱滾筒,滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)其加熱效率影響不大,考慮節(jié)能因素,將轉(zhuǎn)速定在5～6 r/min為最佳。

4 結(jié) 論

(1) 本文采取熱風(fēng)加熱時(shí),滾筒內(nèi)部料簾的形成好壞對(duì)其加熱效率影響較大,料簾形成好加熱效率明顯提高。

(2) 加熱滾筒在實(shí)際工作過(guò)程中料簾不穩(wěn)定,當(dāng)料簾形成較好時(shí)，熱風(fēng)與混合料的熱交換充分,出風(fēng)口的溫度則較低;當(dāng)料簾形成較差時(shí),熱風(fēng)與混合料的熱交換不充分,出風(fēng)口的溫度就會(huì)增高,呈現(xiàn)出劇烈波動(dòng)現(xiàn)象。

(3) 轉(zhuǎn)速對(duì)L形葉片加熱滾筒的加熱效率影響較大,當(dāng)轉(zhuǎn)速為7 r/min時(shí)，加熱效率最高,均勻性最好;轉(zhuǎn)速變化對(duì)螺旋形葉片加熱滾筒的加熱效率影響不大,考慮節(jié)能因素,轉(zhuǎn)速設(shè)為5～6 r/min為最佳。

(4) 選擇合適葉片結(jié)構(gòu)的滾筒轉(zhuǎn)速不僅可以提高加熱效率和瀝青混合料的加熱均勻性,從而提高路面施工效率和質(zhì)量,還可以節(jié)約大量能源,降低成本。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Analysis of the effect of blade structure on asphalt mixture heating roller temperature field

MA Dengcheng, LI Xuan, LI Zong

(National Engineering Laboratory for Highway Maintenance Equipment， Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to analyze the influence of the roller blade structure on asphalt mixture heating effect, improve the heating efficiency of hot air asphalt pavement maintenance vehicle, the 3D analysis model of asphalt mixture heating roller with two typical blade structures was established. The finite volume method and the mixture model, sliding mesh model,k-epsilon model and radiation model were used to simulate the heating process of asphalt mixture. The roller outlet temperature change curve and roller temperature field distribution were obtained, and the influence of blade structure and rotational speed of the roller on the asphalt mixture heating efficiency was analyzed. The research results show that for the roller with L type blade structure, the rotational speed of the roller affects the efficiency of heating greatly because the speed of lifting blade has greater influence on the forming of material curtain. When the rotational speed is 7 r/min, the heating efficiency is the highest, with the shortest time of 1 670 s, at the same time, the mixture temperature difference is smallest, and the heating uniformity is the best. For the helix blade structure, the rotational speed has little effect on the heating efficiency. To reduce the energy consumption, the optimal rotational speed is 5-6 r/min.

blade structure; hot air heating; asphalt mixture; heating efficiency; numerical simulation

2015-11-10；

2016-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11202036);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(310825171005)

馬登成(1981-),男,甘肅靖遠(yuǎn)人,博士,長(zhǎng)安大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.002

U415.52

A

1003-5060(2017)07-0871-06