基于CFD的沥青混合料螺旋摊铺运动场分析

2020-04-20曹源文张晓强吴春洋

筑路机械与施工机械化 2020年12期

曹源文，夏杰，赵江，张晓强，黎晓，吴春洋

(1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074； 2.云南省交通运输厅，云南昆明 650031；3.郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州 450001)

0 引言

随着中国大力推动公路建设，沥青公路不断增加，沥青路面施工对摊铺均匀性的要求也越来越高。沥青路面的均匀性受到级配、摊铺设备、摊铺温度等因素影响，解睿摊铺机的螺旋布料器中的混合颗粒在受力和不同制约条件下进行了运动学分析，得出需要从结构上改变螺旋布料器才可以减少离析。李冰等分析了沥青混合料离析的成因，提出解决级配离析和温度不均匀离析的新方法。Dai等使用有限元和离散元模型仿真分析，计算得到沥青混合料蠕变刚度的微观力学预测值。黄富裕等人对螺旋布料器输送中的沥青混合料进行流体力学(CFD)的仿真分析沥青混合料的粒料运动。

本文根据沥青混合料在一定温度下具有流体特性，计算其半径在0.1 m以上的雷诺数在2 000以上，因而视其流动为湍流流动。结合流体基本方程和RNG-湍流模型结合，Yakhot等在-湍流模型的基础上，利用重整化群(Renormalization Grop )方法建立了RNG-湍流模型,并修正了常数项。蒋莉等应用RNG k-ε 湍流模式与壁面律结合验证了曲率影响的湍流运动。然后，建立沥青混合料在螺旋布料器里面运动的流体湍流三维模型进行仿真分析，利用CFD方法进行求解。借助CATIA建立不同结构参数的螺旋布料器三维模型，并利用ANSYS的Design Modeler模块中填充流体域、旋转域和划分网格，在CFX-Pre 模块中设置沥青混合料的材料属性、流体域、边界条件以及运动参数，完成沥青混合料的流体运动场模型的设置。根据求解沥青混合料的运动场模型，得到螺距、螺径以及转速对运动场的影响。仿真结果表明，合适的螺旋布料器参数可以减少沥青混合料的离析，这对实际工程中减少沥青混合料的离析，提高公路寿命具有较大的应用价值。

1 流体运动基本方程

流体是连续介质组成的物质，对于流体研究不考虑微观运动，所以将流体在宏观现象上看作是空间和时间的可微函数。故将密度、压强、温度、速度都定义为空间和时间的函数：(,,)，(,,)，(,,)，(,,)。

根据这些基本函数建立基本流体运动方程。

1.1 流体运动质量方程和动量方程

在笛卡尔坐标下不可流动的流体的质量守恒连续微分方程为

(1)

本文采用纳维尔-斯托克斯的动量守恒微分方程

(2)

式中：为流体密度；为压力；为速度矢量；为时间，、、为时刻在、、各个方向的速度分量；为单位体积流体受的外力；是动力黏度，为常数。

1.2 RNG k-ε湍流数值模型

沥青混合料是不可压缩黏性流体，选择的控制方程为

(3)

其中为平均流速，是平均压力，是粘性系数和是涡黏性系数，对大雷诺数的湍流运动，可选涡性系数的表达式为

(4)

式中：为常数；为湍流动能；为湍流动能耗散量。

其方程如下

(5)

(6)

其中的、1、2表达式以及式中常数为

本文的沥青混合料运动场模拟分析中选取RNG-湍流模型，采用有限体积法对此模型在ANSYS中的流体模块中完成求解，得到平均速度和湍流动能，并对其输出进行分析。

2 运动场几何模型的建立

2.1 实体模型的建立与网格的划分

在CATIA中建立以某型号摊铺机的螺旋布料器的三维实体模型，根据需要满足摊铺厚度的要求，对不同螺径设置不同入口速度，建模的相关参数如表1所示。将导入ANSYS的Design Modeler模块中，利用Tool的包围命令生产三维流体计算区域。

表1 螺旋布料器相关参数

由于螺旋布料器是对称体，这里只对其左半部分进行了流体计算分析，并对流体模型进行流场域分割，如图1所示。然后对流体域进行网格划分，如图2所示。

图1 流体域设置

图2 螺旋布料器外流场网格

2.2 “域”处理与边界条件的设置

2.2.1 计算域设定

本文设定了计算域和流体域。沥青混合料设定为AC-20，密度为2.44 g·cm，动力黏度为0.44 pa·s，进料量为115%，出口的流体长度为1 310 mm，出口摊铺量为1 048 000 mm，进料量为115%，螺旋布料器旋转速度设置为60 r·min，螺径为480 mm的入口速度为71.81 mm·s，螺径为420 mm的入口速度为85.92 mm·s，螺径为360 mm的入口速度为114.1 mm·s。

2.2.2 边界条件的设置

对流体域设置进出口条件、壁面条件，在旋转域和流体域之间设置边界条件，边界条件具体设置如下。

(1)进出口条件和壁面条件设定。进口条件：流体静压选择亚音速；质量流速度设置为0.073 m·s；湍流参数使用默认值。出口条件：流动速度设定为0.027、0 m·s；流体静压、流体动量以及湍流参数不变。壁面条件：壁面流体速度为0 m·s，旋转壁面的相对主轴旋转角速度也设为0 rad·s。

(2)域交界面条件设定。本文研究的流场模型包括旋转域与流体域两种计算域，且选用多重参考系，故应在两种计算域之间设置数据交界面。

3 结构螺旋摊铺运动场动力学分析

3.1 不同螺距下的沥青混合料动力学分析

3.1.1 螺距对运动场速度的影响分析

(1)沥青混合料的速度云图。对不同螺距进行沥青混合料的运动场分析，速度云图能显示沥青混合料运动场的速度变化情况。选取螺距为280 mm的螺旋布料器运动场的、轴的中心位置，选=-0.625 m的纵截面和=0 m的横截面的速度云图分布，如图3所示。

图3 沥青混合料在螺距280 mm下的速度云图

速度云图可以直观表达沥青混合料的速度分布情况，并不能准确表达出沥青混合料的离析情况，但需要速度云图来计算不同截面的平均速度，以此表现沥青混合料的离析分布情况。

(2)沥青混合料的轴向时均速度。选取13个仿真试验截面的速度云图，利用CFX-Post计算不同螺距从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线图，如图4所示。

图4 不同螺距下的平均速度折线图

从图中看出：截面从=0 m到=-1.2 m的速度先增大后减小；螺距越大，速度变化越平稳，摊铺均匀性越好；但是螺距越小，速度变化范围越小，也会降低离析发生。因此，螺距过大过小都不适合摊铺，为了使摊铺均匀性更好，结合仿真分析，得到摊铺效果最好的螺距为280 mm。

3.1.2 螺距对运动场湍流动能的影响分析

本文在CFD模拟分析中选择此湍流模型进行仿真。根据CFX-Post进行求解，得到沥青混合料的湍流动能云图，选取不同螺距下的=-0.625 m纵截面和=0 m的横截面的湍流云图，如图5所示。

图5 不同螺距下混合料的湍流动能云图

图5中显示了不同螺距情况下湍流动能的分布情况，轴上部的混合料的湍流动能大于下面的湍流动能，在靠近螺旋叶片处的湍流动能急剧增大，因此，在叶片处湍流动能分布越均匀对输送越好。对比不同螺距情况下湍流动能分布情况，当螺距为280 mm时，湍流动能分布最均匀。所以在280 mm螺径下的输送效果最好。

3.2 不同螺径下的沥青混合料的动力学分析

3.2.1 螺径对运动场速度的影响分析

更改模型参数，求解得到不同螺径下的速度云图，其中1组如图3所示。根据速度云图计算螺旋布料器运动场轴向各横截面的平均速度值，得到螺径为480 mm、420 mm、360 mm下螺旋布料器的轴向时均速度，并绘制在不同螺径下的速度折线图，如图6所示。

图6 不同螺径下的平均速度折线图

当螺径越小，轴向速度变化范围越小，沥青混合料输送效果越好，离析就越轻，但是螺径越小，平均输送速度越慢，为了保证输送效果和输送效率，综合考虑选取螺径为420 mm更加适合输送沥青混合料。

3.2.2 螺径对运动场湍流动能的影响分析

根据不同螺径的湍流动能云图，如图5所示。利用ANSYS计算出螺径为480、420、360 mm下的湍流动能数值，并绘出不同螺径下的湍流动能折线图，如图7所示。

图7 不同螺径的水平方向湍流动能折线图

随着螺径的减小，沥青混合料的动能也更小，并且变化范围更小，由于湍流动能越大，离析越明显，较大的沥青混合料就会向径向运动，产生严重离析；另一方面半径越小，输送效率越低，而且输送过程中沥青混合料旋转运动不充分，从而影响沥青混合料的均匀性。根据仿真与实践得出：当螺径为420 mm时螺旋布料器输送效果最好。