曹源文，夏 杰，趙 江，張曉強(qiáng)，黎 曉，吳春洋

(1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074； 2.云南省交通運(yùn)輸廳，云南 昆明 650031；3.鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著中國大力推動(dòng)公路建設(shè)，瀝青公路不斷增加，瀝青路面施工對(duì)攤鋪均勻性的要求也越來越高。瀝青路面的均勻性受到級(jí)配、攤鋪設(shè)備、攤鋪溫度等因素影響，解睿攤鋪機(jī)的螺旋布料器中的混合顆粒在受力和不同制約條件下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出需要從結(jié)構(gòu)上改變螺旋布料器才可以減少離析。李冰等分析了瀝青混合料離析的成因，提出解決級(jí)配離析和溫度不均勻離析的新方法。Dai等使用有限元和離散元模型仿真分析，計(jì)算得到瀝青混合料蠕變剛度的微觀力學(xué)預(yù)測值。黃富裕等人對(duì)螺旋布料器輸送中的瀝青混合料進(jìn)行流體力學(xué)(CFD)的仿真分析瀝青混合料的粒料運(yùn)動(dòng)。

本文根據(jù)瀝青混合料在一定溫度下具有流體特性，計(jì)算其半徑在0.1 m以上的雷諾數(shù)在2 000以上，因而視其流動(dòng)為湍流流動(dòng)。結(jié)合流體基本方程和RNG-湍流模型結(jié)合，Yakhot等在-湍流模型的基礎(chǔ)上，利用重整化群(Renormalization Grop )方法建立了RNG-湍流模型,并修正了常數(shù)項(xiàng)。蔣莉等應(yīng)用RNG k-ε 湍流模式與壁面律結(jié)合驗(yàn)證了曲率影響的湍流運(yùn)動(dòng)。然后，建立瀝青混合料在螺旋布料器里面運(yùn)動(dòng)的流體湍流三維模型進(jìn)行仿真分析，利用CFD方法進(jìn)行求解。借助CATIA建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋布料器三維模型，并利用ANSYS的Design Modeler模塊中填充流體域、旋轉(zhuǎn)域和劃分網(wǎng)格，在CFX-Pre 模塊中設(shè)置瀝青混合料的材料屬性、流體域、邊界條件以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，完成瀝青混合料的流體運(yùn)動(dòng)場模型的設(shè)置。根據(jù)求解瀝青混合料的運(yùn)動(dòng)場模型，得到螺距、螺徑以及轉(zhuǎn)速對(duì)運(yùn)動(dòng)場的影響。仿真結(jié)果表明，合適的螺旋布料器參數(shù)可以減少瀝青混合料的離析，這對(duì)實(shí)際工程中減少瀝青混合料的離析，提高公路壽命具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 流體運(yùn)動(dòng)基本方程

流體是連續(xù)介質(zhì)組成的物質(zhì)，對(duì)于流體研究不考慮微觀運(yùn)動(dòng)，所以將流體在宏觀現(xiàn)象上看作是空間和時(shí)間的可微函數(shù)。故將密度、壓強(qiáng)、溫度、速度都定義為空間和時(shí)間的函數(shù)：(,,)，(,,)，(,,)，(,,)。

根據(jù)這些基本函數(shù)建立基本流體運(yùn)動(dòng)方程。

1.1 流體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量方程和動(dòng)量方程

在笛卡爾坐標(biāo)下不可流動(dòng)的流體的質(zhì)量守恒連續(xù)微分方程為

(1)

本文采用納維爾-斯托克斯的動(dòng)量守恒微分方程

(2)

式中：為流體密度；為壓力；為速度矢量；為時(shí)間，、、為時(shí)刻在、、各個(gè)方向的速度分量；為單位體積流體受的外力；是動(dòng)力黏度，為常數(shù)。

1.2 RNG k-ε湍流數(shù)值模型

瀝青混合料是不可壓縮黏性流體，選擇的控制方程為

(3)

其中為平均流速，是平均壓力，是粘性系數(shù)和是渦黏性系數(shù)，對(duì)大雷諾數(shù)的湍流運(yùn)動(dòng)，可選渦性系數(shù)的表達(dá)式為

(4)

式中：為常數(shù)；為湍流動(dòng)能；為湍流動(dòng)能耗散量。

其方程如下

(5)

(6)

其中的、1、2表達(dá)式以及式中常數(shù)為

本文的瀝青混合料運(yùn)動(dòng)場模擬分析中選取RNG-湍流模型，采用有限體積法對(duì)此模型在ANSYS中的流體模塊中完成求解，得到平均速度和湍流動(dòng)能，并對(duì)其輸出進(jìn)行分析。

2 運(yùn)動(dòng)場幾何模型的建立

2.1 實(shí)體模型的建立與網(wǎng)格的劃分

在CATIA中建立以某型號(hào)攤鋪機(jī)的螺旋布料器的三維實(shí)體模型，根據(jù)需要滿足攤鋪厚度的要求，對(duì)不同螺徑設(shè)置不同入口速度，建模的相關(guān)參數(shù)如表1所示。將導(dǎo)入ANSYS的Design Modeler模塊中，利用Tool的包圍命令生產(chǎn)三維流體計(jì)算區(qū)域。

表1 螺旋布料器相關(guān)參數(shù)

由于螺旋布料器是對(duì)稱體，這里只對(duì)其左半部分進(jìn)行了流體計(jì)算分析，并對(duì)流體模型進(jìn)行流場域分割，如圖1所示。然后對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖1 流體域設(shè)置

圖2 螺旋布料器外流場網(wǎng)格

2.2 “域”處理與邊界條件的設(shè)置

2.2.1 計(jì)算域設(shè)定

本文設(shè)定了計(jì)算域和流體域。瀝青混合料設(shè)定為AC-20，密度為2.44 g·cm，動(dòng)力黏度為0.44 pa·s，進(jìn)料量為115%，出口的流體長度為1 310 mm，出口攤鋪量為1 048 000 mm，進(jìn)料量為115%，螺旋布料器旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為60 r·min，螺徑為480 mm的入口速度為71.81 mm·s，螺徑為420 mm的入口速度為85.92 mm·s，螺徑為360 mm的入口速度為114.1 mm·s。

2.2.2 邊界條件的設(shè)置

對(duì)流體域設(shè)置進(jìn)出口條件、壁面條件，在旋轉(zhuǎn)域和流體域之間設(shè)置邊界條件，邊界條件具體設(shè)置如下。

(1)進(jìn)出口條件和壁面條件設(shè)定。進(jìn)口條件：流體靜壓選擇亞音速；質(zhì)量流速度設(shè)置為0.073 m·s；湍流參數(shù)使用默認(rèn)值。出口條件：流動(dòng)速度設(shè)定為0.027、0 m·s；流體靜壓、流體動(dòng)量以及湍流參數(shù)不變。壁面條件：壁面流體速度為0 m·s，旋轉(zhuǎn)壁面的相對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)角速度也設(shè)為0 rad·s。

(2)域交界面條件設(shè)定。本文研究的流場模型包括旋轉(zhuǎn)域與流體域兩種計(jì)算域，且選用多重參考系，故應(yīng)在兩種計(jì)算域之間設(shè)置數(shù)據(jù)交界面。

3 結(jié)構(gòu)螺旋攤鋪運(yùn)動(dòng)場動(dòng)力學(xué)分析

3.1 不同螺距下的瀝青混合料動(dòng)力學(xué)分析

3.1.1 螺距對(duì)運(yùn)動(dòng)場速度的影響分析

(1)瀝青混合料的速度云圖。對(duì)不同螺距進(jìn)行瀝青混合料的運(yùn)動(dòng)場分析，速度云圖能顯示瀝青混合料運(yùn)動(dòng)場的速度變化情況。選取螺距為280 mm的螺旋布料器運(yùn)動(dòng)場的、軸的中心位置，選=-0.625 m的縱截面和=0 m的橫截面的速度云圖分布，如圖3所示。

圖3 瀝青混合料在螺距280 mm下的速度云圖

速度云圖可以直觀表達(dá)瀝青混合料的速度分布情況，并不能準(zhǔn)確表達(dá)出瀝青混合料的離析情況，但需要速度云圖來計(jì)算不同截面的平均速度，以此表現(xiàn)瀝青混合料的離析分布情況。

(2)瀝青混合料的軸向時(shí)均速度。選取13個(gè)仿真試驗(yàn)截面的速度云圖，利用CFX-Post計(jì)算不同螺距從左到右的不同截面的平均速度，并作出不同螺距下的平均速度折線圖，如圖4所示。

圖4 不同螺距下的平均速度折線圖

從圖中看出：截面從=0 m到=-1.2 m的速度先增大后減小；螺距越大，速度變化越平穩(wěn)，攤鋪均勻性越好；但是螺距越小，速度變化范圍越小，也會(huì)降低離析發(fā)生。因此，螺距過大過小都不適合攤鋪，為了使攤鋪均勻性更好，結(jié)合仿真分析，得到攤鋪效果最好的螺距為280 mm。

3.1.2 螺距對(duì)運(yùn)動(dòng)場湍流動(dòng)能的影響分析

本文在CFD模擬分析中選擇此湍流模型進(jìn)行仿真。根據(jù)CFX-Post進(jìn)行求解，得到瀝青混合料的湍流動(dòng)能云圖，選取不同螺距下的=-0.625 m縱截面和=0 m的橫截面的湍流云圖，如圖5所示。

圖5 不同螺距下混合料的湍流動(dòng)能云圖

圖5中顯示了不同螺距情況下湍流動(dòng)能的分布情況，軸上部的混合料的湍流動(dòng)能大于下面的湍流動(dòng)能，在靠近螺旋葉片處的湍流動(dòng)能急劇增大，因此，在葉片處湍流動(dòng)能分布越均勻?qū)斔驮胶?。?duì)比不同螺距情況下湍流動(dòng)能分布情況，當(dāng)螺距為280 mm時(shí)，湍流動(dòng)能分布最均勻。所以在280 mm螺徑下的輸送效果最好。

3.2 不同螺徑下的瀝青混合料的動(dòng)力學(xué)分析

3.2.1 螺徑對(duì)運(yùn)動(dòng)場速度的影響分析

更改模型參數(shù)，求解得到不同螺徑下的速度云圖，其中1組如圖3所示。根據(jù)速度云圖計(jì)算螺旋布料器運(yùn)動(dòng)場軸向各橫截面的平均速度值，得到螺徑為480 mm、420 mm、360 mm下螺旋布料器的軸向時(shí)均速度，并繪制在不同螺徑下的速度折線圖，如圖6所示。

圖6 不同螺徑下的平均速度折線圖

當(dāng)螺徑越小，軸向速度變化范圍越小，瀝青混合料輸送效果越好，離析就越輕，但是螺徑越小，平均輸送速度越慢，為了保證輸送效果和輸送效率，綜合考慮選取螺徑為420 mm更加適合輸送瀝青混合料。

3.2.2 螺徑對(duì)運(yùn)動(dòng)場湍流動(dòng)能的影響分析

根據(jù)不同螺徑的湍流動(dòng)能云圖，如圖5所示。利用ANSYS計(jì)算出螺徑為480、420、360 mm下的湍流動(dòng)能數(shù)值，并繪出不同螺徑下的湍流動(dòng)能折線圖，如圖7所示。

圖7 不同螺徑的水平方向湍流動(dòng)能折線圖

隨著螺徑的減小，瀝青混合料的動(dòng)能也更小，并且變化范圍更小，由于湍流動(dòng)能越大，離析越明顯，較大的瀝青混合料就會(huì)向徑向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生嚴(yán)重離析；另一方面半徑越小，輸送效率越低，而且輸送過程中瀝青混合料旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不充分，從而影響瀝青混合料的均勻性。根據(jù)仿真與實(shí)踐得出：當(dāng)螺徑為420 mm時(shí)螺旋布料器輸送效果最好。

3.3 轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料流場的動(dòng)力學(xué)分析

3.3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料的速度分布的影響

在ANSYS的CFD中更改轉(zhuǎn)速設(shè)置，根據(jù)速度云圖，如圖3所示，分別計(jì)算出轉(zhuǎn)速在40～80 r·min的瀝青混合料在水平方向的平均速度，選取40、60、80 r·min對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并畫出其折線圖，如圖8所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下的水平方向平均速度折線圖

在不同轉(zhuǎn)速下，平均速度的變化趨勢一致，轉(zhuǎn)速越低，隨著截面變化速度的變化范圍越小，越有利于輸送瀝青混合料，離析越輕。因此轉(zhuǎn)速為40 r·min的輸送效果最好。

3.3.2 轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料湍流動(dòng)能的影響

求解出不同轉(zhuǎn)速下瀝青混合料在螺旋布料器中運(yùn)動(dòng)的水平方向湍流動(dòng)能值，并繪制其不同截面方向湍流動(dòng)能折線圖，如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的水平方向湍流動(dòng)能折線圖

不同轉(zhuǎn)速湍流動(dòng)能折線圖和其平均速度折線圖變化趨勢一致，為了保證能夠有更好的傳輸效果，減少離析，應(yīng)該選擇40 r·min的轉(zhuǎn)速更加合適。

4 結(jié) 語

通過對(duì)螺旋布料器輸送瀝青混合的運(yùn)動(dòng)場仿真，對(duì)實(shí)際攤鋪施工中減少離析，提高瀝青公路壽命有較大意義，并給出了螺旋布料器相關(guān)參數(shù)的合理建議值。

(1)在一定范圍內(nèi)增加螺距可以提高軸向的瀝青混合的速度，使其湍流動(dòng)能分布均勻，減少離析，當(dāng)螺距大于280 mm，增加螺距，周向速度分布差異會(huì)變大，造成周向離析，綜合考慮在螺距為280 mm可以控制軸向和周向的離析。

(2)增加螺徑，瀝青混合料的軸向速度變大，湍流動(dòng)能越大，速度分布越不均勻，更容易造成離析；但為了保證輸送效率，螺徑不能太小，因此，螺徑的最佳值為420 mm。

(3)當(dāng)螺旋布料器轉(zhuǎn)速減小，能減少離析，但會(huì)影響輸送效率，綜合考慮后認(rèn)為40 r·min的轉(zhuǎn)速比較合適。