葉片結構對瀝青混合料加熱滾筒溫度場分析

馬登成, 李 旋, 李 宗

(長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室,陜西 西安 710064)

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葉片結構對瀝青混合料加熱滾筒溫度場分析

馬登成, 李 旋, 李 宗

(長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室,陜西 西安 710064)

為了深入分析葉片結構對瀝青混合料加熱效果的影響,提高熱風式瀝青路面養護車的加熱效率,文章建立了2種典型葉片結構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、滑移網格模型、標準κ-ε雙方程模型和傳熱模型對瀝青混合料的加熱過程進行數值模擬,得到滾筒出風口溫度變化曲線與滾筒內溫度場分布云圖,分析了葉片結構、滾筒轉速對瀝青混合料加熱效率的影響。研究結果表明:滾筒轉速對L形葉片結構加熱效率影響較大,原因是轉速對提料葉片形成料簾的影響較大,轉速為7 r/min時,加熱效率最高,用時最短為1 670 s,同時混合料溫差最小,加熱均勻性最好;滾筒轉速對螺旋結構葉片加熱效率影響不大,為降低能耗,轉速為5～6 r/min最佳。

葉片結構;熱風加熱;瀝青混合料;加熱效率;數值模擬

0 引 言

隨著公路里程數的增加,瀝青路面的養護量與日俱增,尤其是市政道路要求快速養護、快速通車,對養護車的施工效率提出了更高的要求[1-2]。對于瀝青混合料的加熱方式科研人員已進行了相關研究。文獻[3]對瀝青混合料熱再生加熱方法進行了試驗研究;文獻[4]對微波加熱濕舊瀝青混合料進行了數值模擬和分析;文獻[5]通過試驗研究了加熱溫度和時間對瀝青混合料老化的影響。因此,出現了多種加熱方式與結構形式的瀝青路面養護車,其中熱風式滾筒加熱養護車因加熱效率高、加熱時間短、燃料來源方便等優勢受到越來越多的重視[6]；但是,滾筒內部葉片結構的差異對瀝青混合料的加熱具有很大的影響,很多企業在設計時只能借鑒拌合站加熱滾筒、水泥混凝土攪拌滾筒等設備的葉片結構[7-8]；對瀝青混合料加熱攪拌滾筒的加熱效率進行驗證主要還是試驗對比的方式,對不同葉片結構的滾筒進行試驗就必須試制不同的滾筒,導致成本過高、周期較長等弊端。目前關于這方面的理論研究和仿真分析還鮮有報道,可供借鑒的方法、技術手段、參考資料也十分有限。隨著計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件的發展,以加熱滾筒實際結構為模型進行加熱分析已成為可能,通過流體力學分析軟件Fluent分析不同葉片結構對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行溫度場分析,通過對仿真結果的分析,選取最佳的結構形式進行試制可以大大縮短開發周期與研發成本,為企業的產品設計提供借鑒與指導,同時,為該類產品的研發提供一種新的研究思路與仿真方法。

1 數學模型的建立

1.1 滾筒內瀝青混合料流場數學模型

加熱滾筒內部瀝青混合料的流動屬于復雜的湍流,采用標準κ-ε雙方程模型來進行瀝青混合料的流動模擬[11-14],滾筒內部有空氣和混合料,歐拉模型是Fluent中最復雜的多相流模型,能夠更為準確地描述瀝青混合料在滾筒內部的加熱過程,因此選用歐拉多相流模型分析瀝青混合料加熱過程的溫度場,其連續性方程為:

(1)

歐拉多相流模型的動量方程為:

(2)

1.2 傳熱數學模型

熱風加熱時滾筒內瀝青混合料的加熱主要以熱對流和熱傳導為主[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,對于不可壓相Ek=hk,hk為第k相的顯焓;keff為有效熱傳導率;SE為所有的體積熱源;T為溫度。

2 仿真模型建立與網格劃分

加熱滾筒分為圓柱段和圓錐段,圓錐段長度為28 cm,整個加熱滾筒處于保溫層內。加熱區集中在圓柱段,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

滾筒結構參數見表1所列。

表1 滾筒結構參數

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

圖2 加熱滾筒網格模型

滾筒結構其他仿真參數設定為:混合料表面高度454 mm,混合料總質量2.1 t,滾筒內部其余部分為空氣。瀝青混合料的物性參數為:密度2 450 kg/m3,比熱容1 680 J/(kg·℃),導熱系數3.05 W/(m·k)。瀝青混合料在加熱過程中黏度變化較大,采用分段線性函數進行定義。瀝青混合料處于常溫時是塊狀離散體,可看成牛頓流體時黏度系數取小值,具體設定見表1。空氣相的物性參數采用默認設置值為:熱風溫度400 ℃,入風口直徑600 mm,風速1.36 m/s；加熱滾筒轉速分別設為5、6、7 r/min。

3 仿真結果分析

3.1 轉速為5 r/min時的溫度場分析

轉速為5 r/min時，2種葉片結構的滾筒在加熱過程中出風口的熱風溫度變化曲線與滾筒內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轉速時滾筒出風口的熱風溫度變化曲線

圖4 5 r/min轉速時滾筒內部瀝青混合料的溫度變化曲線

由圖3可知,2種葉片結構的滾筒出風口的熱風溫度波動較大,這是由滾筒旋轉時內部瀝青混合料形成的料簾的變化引起的。當料簾形成較好時,熱風與混合料的熱交換充分,出風口的溫度則較低;當料簾形成較差時,熱風與混合料的熱交換不充分,出風口的溫度就會增高,呈現出劇烈波動,與實際工況相符。此外,隨著加熱時間的延長,滾筒出風口的溫度平均值逐漸升高,這是由于在加熱過程中隨著瀝青混合料溫度不斷升高,混合料與熱風的溫差變小,換熱量逐漸降低,熱風的溫降逐漸減少。

同理,圖4中也說明了這一變化。另外,對比圖3a和圖3b可知,L形葉片滾筒出口溫度一開始高于螺旋葉片滾筒,這是由于L形葉片滾筒在初始轉動時料簾形成不如螺旋形,沒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的滾筒內部瀝青混合料的溫度變化曲線得到驗證。

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

由圖5可知,采用熱風加熱瀝青混合料時,2種葉片滾筒內部混合料受熱均勻,加熱質量較高。在滾筒旋轉和滾筒葉片的綜合作用下,混合料隨著滾筒旋轉至最高點時,有少部分混合料緊貼滾筒壁面沒有落下,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。熱風出口在左側,熱風吹到滾筒左側壁面上有回流,且混合料在右側堆積較多,故滾筒左側部分混合料分布較少的區域溫度稍高。

圖5 5 r/min轉速時滾筒內部瀝青混合料內部溫度場分布云圖

3.2 轉速為6 r/min時的溫度場分析

轉速為6 r/min時,滾筒在加熱過程中出風口的熱風溫度變化曲線與滾筒內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轉速時滾筒出風口的熱風溫度變化曲線

圖7 6 r/min轉速時滾筒內部瀝青混合料的溫度變化曲線

由圖6可知,加熱滾筒出風口的熱風溫度波動較大,這與圖3中反映出的問題一致,不再贅述。但是,對比圖6a和圖6b,與圖3不同的是,L形葉片滾筒出風口溫度與螺旋葉片滾筒出風口溫度開始時基本相同,說明隨著轉速提高,L形葉片提料作用增強,形成較好的料簾,提高了熱交換。

由圖7可知,滾筒內瀝青混合料加熱到160 ℃,L形葉片需要1 750 s,螺旋形葉片需要1 730 s,說明轉速提高時L形葉片滾筒形成的料簾質量更高,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 ℃時滾筒在截面X=1 000 mm滾筒內部瀝青混合料內部溫度場分布云圖如圖8所示。

圖8 6 r/min轉速時滾筒內部瀝青混合料內部溫度場分布云圖

從圖8可知,采用熱風加熱瀝青混合料受熱非常均勻,加熱效果很好。在滾筒旋轉和滾筒葉片的綜合作用下,混合料隨著滾筒旋轉至最高點時,有少部分混合料緊貼滾筒壁面沒有落下,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。熱風入口在右側,右側的混合料溫度稍高于左側。

3.3 轉速為7 r/min時的溫度場分析

轉速為7 r/min時,滾筒在加熱過程中出風口的熱風溫度變化曲線與滾筒內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轉速時滾筒出風口的熱風溫度變化曲線

圖10 7 r/min轉速時滾筒內部瀝青混合料的溫度變化曲線

由圖9可知,加熱滾筒出風口的熱風溫度波動有所減緩,這是由于隨著滾筒轉速的提升混合料的料簾形成狀況更為穩定,相應的出風口熱風溫度的波動程度有所減緩。

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

對比圖8與圖10可以發現,隨著滾筒轉速的提高,L形葉片的滾筒加熱時間繼續縮短,從1 750 s減少至1 670 s,但提升效果已經不明顯；當滾筒轉速為8 r/min時,加熱時間上升至1 730 s,可見一味地提高滾筒轉速并不能減少加熱時間,反而會造成能耗的增加。而對于螺旋葉片的滾筒,轉速對其加熱速度影響不大,考慮到轉速提高增加能耗的原因,建議轉速設定為6 r/min。

同樣,為了進一步全面分析加熱滾筒內部瀝青混合料的溫度場分布情況,取計算模型中截面Z=0(即OXY平面)作為研究對象,分析瀝青混合料加熱至所要求的160 ℃后滾筒內部的溫度場分布。

不同螺旋角螺旋葉片將滾筒內部瀝青混合料加熱至所要求的160 ℃后,轉速6 r/min時滾筒內瀝青混合料溫度場分布云圖如圖11所示。

圖11 加熱至160 ℃后滾筒內部瀝青混合料內部溫度場分布云圖

從圖11可知,采用熱風加熱瀝青混合料受熱非常均勻,加熱效果很好。在滾筒旋轉和滾筒葉片的綜合作用下,混合料隨著滾筒旋轉至最高點時,有少部分混合料緊貼滾筒壁面沒有落下,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。熱風入口在右側,右側的混合料溫度稍高于左側。仿真結果對比見表2所列。

表2 仿真結果對比

由表2可以看出,對于L形葉片的加熱滾筒,滾筒轉速對加熱效率影響較大,主要是由于轉速變化時提料葉片形成料簾的能力發生變化;從結果來看,轉速為7 r/min時加熱效率最高,用時最短為1 670 s,同時混合料溫度也非常均勻,說明加熱均勻性最好；由于其他仿真條件不變,因此轉速為7 r/min時其節能效果最佳。對于螺旋形葉片的加熱滾筒,滾筒轉速對其加熱效率影響不大,考慮節能因素,將轉速定在5～6 r/min為最佳。

4 結 論

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

(2) 加熱滾筒在實際工作過程中料簾不穩定,當料簾形成較好時，熱風與混合料的熱交換充分,出風口的溫度則較低;當料簾形成較差時,熱風與混合料的熱交換不充分,出風口的溫度就會增高,呈現出劇烈波動現象。

(3) 轉速對L形葉片加熱滾筒的加熱效率影響較大,當轉速為7 r/min時，加熱效率最高,均勻性最好;轉速變化對螺旋形葉片加熱滾筒的加熱效率影響不大,考慮節能因素,轉速設為5～6 r/min為最佳。

(4) 選擇合適葉片結構的滾筒轉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量,還可以節約大量能源,降低成本。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金資助項目(11202036);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(310825171005)

馬登成(1981-),男,甘肅靖遠人,博士,長安大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.002

U415.52

A

1003-5060(2017)07-0871-06