马登成, 李 旋, 李 宗

(长安大学 公路养护装备国家工程实验室,陕西 西安 710064)



叶片结构对沥青混合料加热滚筒温度场分析

马登成, 李 旋, 李 宗

(长安大学 公路养护装备国家工程实验室,陕西 西安 710064)

为了深入分析叶片结构对沥青混合料加热效果的影响,提高热风式沥青路面养护车的加热效率,文章建立了2种典型叶片结构的沥青混合料加热滚筒三维分析模型,采用有限容积法,利用混合模型、滑移网格模型、标准κ-ε双方程模型和传热模型对沥青混合料的加热过程进行数值模拟,得到滚筒出风口温度变化曲线与滚筒内温度场分布云图,分析了叶片结构、滚筒转速对沥青混合料加热效率的影响。研究结果表明:滚筒转速对L形叶片结构加热效率影响较大,原因是转速对提料叶片形成料帘的影响较大,转速为7 r/min时,加热效率最高,用时最短为1 670 s,同时混合料温差最小,加热均匀性最好;滚筒转速对螺旋结构叶片加热效率影响不大,为降低能耗,转速为5～6 r/min最佳。

叶片结构;热风加热;沥青混合料;加热效率;数值模拟

0 引 言

随着公路里程数的增加,沥青路面的养护量与日俱增,尤其是市政道路要求快速养护、快速通车,对养护车的施工效率提出了更高的要求[1-2]。对于沥青混合料的加热方式科研人员已进行了相关研究。文献[3]对沥青混合料热再生加热方法进行了试验研究;文献[4]对微波加热湿旧沥青混合料进行了数值模拟和分析;文献[5]通过试验研究了加热温度和时间对沥青混合料老化的影响。因此,出现了多种加热方式与结构形式的沥青路面养护车,其中热风式滚筒加热养护车因加热效率高、加热时间短、燃料来源方便等优势受到越来越多的重视[6]；但是,滚筒内部叶片结构的差异对沥青混合料的加热具有很大的影响,很多企业在设计时只能借鉴拌合站加热滚筒、水泥混凝土搅拌滚筒等设备的叶片结构[7-8]；对沥青混合料加热搅拌滚筒的加热效率进行验证主要还是试验对比的方式,对不同叶片结构的滚筒进行试验就必须试制不同的滚筒,导致成本过高、周期较长等弊端。目前关于这方面的理论研究和仿真分析还鲜有报道,可供借鉴的方法、技术手段、参考资料也十分有限。随着计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件的发展,以加热滚筒实际结构为模型进行加热分析已成为可能,通过流体力学分析软件Fluent分析不同叶片结构对加热滚筒加热效率的影响[9-10]。

因此,本文提出采用仿真的方法进行温度场分析,通过对仿真结果的分析,选取最佳的结构形式进行试制可以大大缩短开发周期与研发成本,为企业的产品设计提供借鉴与指导,同时,为该类产品的研发提供一种新的研究思路与仿真方法。

1 数学模型的建立

1.1 滚筒内沥青混合料流场数学模型

加热滚筒内部沥青混合料的流动属于复杂的湍流,采用标准κ-ε双方程模型来进行沥青混合料的流动模拟[11-14],滚筒内部有空气和混合料,欧拉模型是Fluent中最复杂的多相流模型,能够更为准确地描述沥青混合料在滚筒内部的加热过程,因此选用欧拉多相流模型分析沥青混合料加热过程的温度场,其连续性方程为:

(1)

欧拉多相流模型的动量方程为:

(2)

1.2 传热数学模型

热风加热时滚筒内沥青混合料的加热主要以热对流和热传导为主[12],其混合模型的能量方程为:

(3)

其中,Ek为第k相所包含的能量,对于不可压相Ek=hk,hk为第k相的显焓;keff为有效热传导率;SE为所有的体积热源;T为温度。

2 仿真模型建立与网格划分

加热滚筒分为圆柱段和圆锥段,圆锥段长度为28 cm,整个加热滚筒处于保温层内。加热区集中在圆柱段,因此,只建立加热滚筒圆柱段的三维模型,如图1所示,其中叶片选取典型的L形和螺旋形。

图1 滚筒三维模型

滚筒结构参数见表1所列。

表1 滚筒结构参数

加热滚筒叶片网格模型如图2所示。其中,L型叶片单元网格最小体积为6.58×10-6m3,最大体积为5.24×10-5m3;螺旋形叶片单元网格最小体积为3.31×10-6m3,最大体积为4.27×10-5m3。为了简化模型,将滚筒外壁面定义为绝热壁面。

图2 加热滚筒网格模型

滚筒结构其他仿真参数设定为:混合料表面高度454 mm,混合料总质量2.1 t,滚筒内部其余部分为空气。沥青混合料的物性参数为:密度2 450 kg/m3,比热容1 680 J/(kg·℃),导热系数3.05 W/(m·k)。沥青混合料在加热过程中黏度变化较大,采用分段线性函数进行定义。沥青混合料处于常温时是块状离散体,可看成牛顿流体时黏度系数取小值,具体设定见表1。空气相的物性参数采用默认设置值为:热风温度400 ℃,入风口直径600 mm,风速1.36 m/s；加热滚筒转速分别设为5、6、7 r/min。

3 仿真结果分析

3.1 转速为5 r/min时的温度场分析

转速为5 r/min时，2种叶片结构的滚筒在加热过程中出风口的热风温度变化曲线与滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线分别如图3、图4所示。

图3 5 r/min转速时滚筒出风口的热风温度变化曲线

图4 5 r/min转速时滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线

由图3可知,2种叶片结构的滚筒出风口的热风温度波动较大,这是由滚筒旋转时内部沥青混合料形成的料帘的变化引起的。当料帘形成较好时,热风与混合料的热交换充分,出风口的温度则较低;当料帘形成较差时,热风与混合料的热交换不充分,出风口的温度就会增高,呈现出剧烈波动,与实际工况相符。此外,随着加热时间的延长,滚筒出风口的温度平均值逐渐升高,这是由于在加热过程中随着沥青混合料温度不断升高,混合料与热风的温差变小,换热量逐渐降低,热风的温降逐渐减少。

同理,图4中也说明了这一变化。另外,对比图3a和图3b可知,L形叶片滚筒出口温度一开始高于螺旋叶片滚筒,这是由于L形叶片滚筒在初始转动时料帘形成不如螺旋形,没有形成较好的热交换,这也使得加热效率比后者低,如滚筒内沥青混合料加热到160 ℃,L形叶片需要1 940 s,而螺旋形叶片只需1 760 s。这可以从图4的滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线得到验证。

混合料加热到160 ℃时滚筒在截面Z=0和X=1 000 mm处滚筒内部沥青混合料内部温度场分布云图如图5所示(X、Z分别代表X、Z坐标轴,以下同)。

由图5可知,采用热风加热沥青混合料时,2种叶片滚筒内部混合料受热均匀,加热质量较高。在滚筒旋转和滚筒叶片的综合作用下,混合料随着滚筒旋转至最高点时,有少部分混合料紧贴滚筒壁面没有落下,这极小部分混合料在高温空气和高温滚筒壁面共同传热作用下温度比落回滚筒下半部分的混合料温度更高。热风出口在左侧,热风吹到滚筒左侧壁面上有回流,且混合料在右侧堆积较多,故滚筒左侧部分混合料分布较少的区域温度稍高。

图5 5 r/min转速时滚筒内部沥青混合料内部温度场分布云图

3.2 转速为6 r/min时的温度场分析

转速为6 r/min时,滚筒在加热过程中出风口的热风温度变化曲线与滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线分别如图6、图7所示。

图6 6 r/min转速时滚筒出风口的热风温度变化曲线

图7 6 r/min转速时滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线

由图6可知,加热滚筒出风口的热风温度波动较大,这与图3中反映出的问题一致,不再赘述。但是,对比图6a和图6b,与图3不同的是,L形叶片滚筒出风口温度与螺旋叶片滚筒出风口温度开始时基本相同,说明随着转速提高,L形叶片提料作用增强,形成较好的料帘,提高了热交换。

由图7可知,滚筒内沥青混合料加热到160 ℃,L形叶片需要1 750 s,螺旋形叶片需要1 730 s,说明转速提高时L形叶片滚筒形成的料帘质量更高,热交换更为充分。

考虑到篇幅,以下只取滚筒在X方向1 000 mm(即滚筒颞部中心位置)处温度云图。混合料加热到160 ℃时滚筒在截面X=1 000 mm滚筒内部沥青混合料内部温度场分布云图如图8所示。

图8 6 r/min转速时滚筒内部沥青混合料内部温度场分布云图

从图8可知,采用热风加热沥青混合料受热非常均匀,加热效果很好。在滚筒旋转和滚筒叶片的综合作用下,混合料随着滚筒旋转至最高点时,有少部分混合料紧贴滚筒壁面没有落下,这极小部分混合料在高温空气和高温滚筒壁面共同传热作用下温度比落回滚筒下半部分的混合料温度更高。热风入口在右侧,右侧的混合料温度稍高于左侧。

3.3 转速为7 r/min时的温度场分析

转速为7 r/min时,滚筒在加热过程中出风口的热风温度变化曲线与滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线分别如图9、图10所示。

图9 7 r/min转速时滚筒出风口的热风温度变化曲线

图10 7 r/min转速时滚筒内部沥青混合料的温度变化曲线

由图9可知,加热滚筒出风口的热风温度波动有所减缓,这是由于随着滚筒转速的提升混合料的料帘形成状况更为稳定,相应的出风口热风温度的波动程度有所减缓。

对比图9a、图9b以及图10可以得出,混合料加热至160 ℃时，L形叶片需要1 670 s,螺旋形叶片需要1 732 s,可见当滚筒转速提高时L形叶片提料效果更好,因此热交换充分,加热效率更高。

对比图8与图10可以发现,随着滚筒转速的提高,L形叶片的滚筒加热时间继续缩短,从1 750 s减少至1 670 s,但提升效果已经不明显；当滚筒转速为8 r/min时,加热时间上升至1 730 s,可见一味地提高滚筒转速并不能减少加热时间,反而会造成能耗的增加。而对于螺旋叶片的滚筒,转速对其加热速度影响不大,考虑到转速提高增加能耗的原因,建议转速设定为6 r/min。

同样,为了进一步全面分析加热滚筒内部沥青混合料的温度场分布情况,取计算模型中截面Z=0(即OXY平面)作为研究对象,分析沥青混合料加热至所要求的160 ℃后滚筒内部的温度场分布。

不同螺旋角螺旋叶片将滚筒内部沥青混合料加热至所要求的160 ℃后,转速6 r/min时滚筒内沥青混合料温度场分布云图如图11所示。

图11 加热至160 ℃后滚筒内部沥青混合料内部温度场分布云图

从图11可知,采用热风加热沥青混合料受热非常均匀,加热效果很好。在滚筒旋转和滚筒叶片的综合作用下,混合料随着滚筒旋转至最高点时,有少部分混合料紧贴滚筒壁面没有落下,这一极小部分混合料在高温空气和高温滚筒壁面共同传热作用下其温度比落回滚筒下半部分的混合料温度更高。热风入口在右侧,右侧的混合料温度稍高于左侧。仿真结果对比见表2所列。

表2 仿真结果对比

由表2可以看出,对于L形叶片的加热滚筒,滚筒转速对加热效率影响较大,主要是由于转速变化时提料叶片形成料帘的能力发生变化;从结果来看,转速为7 r/min时加热效率最高,用时最短为1 670 s,同时混合料温度也非常均匀,说明加热均匀性最好；由于其他仿真条件不变,因此转速为7 r/min时其节能效果最佳。对于螺旋形叶片的加热滚筒,滚筒转速对其加热效率影响不大,考虑节能因素,将转速定在5～6 r/min为最佳。

4 结 论

(1) 本文采取热风加热时,滚筒内部料帘的形成好坏对其加热效率影响较大,料帘形成好加热效率明显提高。

(2) 加热滚筒在实际工作过程中料帘不稳定,当料帘形成较好时，热风与混合料的热交换充分,出风口的温度则较低;当料帘形成较差时,热风与混合料的热交换不充分,出风口的温度就会增高,呈现出剧烈波动现象。

(3) 转速对L形叶片加热滚筒的加热效率影响较大,当转速为7 r/min时，加热效率最高,均匀性最好;转速变化对螺旋形叶片加热滚筒的加热效率影响不大,考虑节能因素,转速设为5～6 r/min为最佳。

(4) 选择合适叶片结构的滚筒转速不仅可以提高加热效率和沥青混合料的加热均匀性,从而提高路面施工效率和质量,还可以节约大量能源,降低成本。

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(责任编辑 胡亚敏)

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

国家自然科学基金资助项目(11202036);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310825171005)

马登成(1981-),男,甘肃靖远人,博士,长安大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.002

U415.52

A

1003-5060(2017)07-0871-06