在不同風速下瀝青路面熱再生加熱系統(tǒng)功率選擇

姚錦濤，劉 康

（長安大學工程機械學院，陜西 西安710064）

目前我國大量的瀝青路面已經(jīng)進入大、中修期[1]。就地熱再生不僅不會造成環(huán)境污染，使用舊瀝青料，還會降低新料使用量、降低工程成本[2]，并且具有施工效率高的優(yōu)點，使其成為重要的公路養(yǎng)護手段。由于風速對施工效果的影響貫穿整個施工過程[3]，而目前對于施工過程中風速的變化與加熱系統(tǒng)功率的選擇沒有一個較為明確的依據(jù)，因此本文通過Fluent軟件對紅外輻射現(xiàn)場熱再生的溫度場進行分析，在不同風速下施工加熱效果的變化。尋找風速對加熱效果之間的關(guān)系，以便為加熱系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

1 模型與參數(shù)的設(shè)置

現(xiàn)以簡化的垂直于水平面的二維的瀝青路面模型切面為研究對象，路面結(jié)構(gòu)從上到下分別為AK-16瀝青磨耗層、AC-20瀝青混凝土、AC-25瀝青混凝土以及水泥穩(wěn)碎石層[4]。在Fluent軟件中對二維模型進行仿真，由于瀝青混凝土的熱物理參數(shù)是隨溫度的變化而變化，所以在Fluent軟件中將其參數(shù)采取分段線性函數(shù)的方式進行設(shè)置，初始溫度設(shè)置為20℃.二維網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 二維網(wǎng)格模型

2 瀝青路面溫度場的數(shù)學模型

整個瀝青路面溫度場中對于瀝青路面層有紅外輻射加熱板與瀝青路面路面的的輻射熱交換、環(huán)境中自然風與瀝青路面的對流換熱。而瀝青路面層中不同材料、深度的瀝青混凝土相互之間存在著以熱傳導為傳熱方式的熱交換。

瀝青路面與外界能量交換的控制方程如下：

式中，keff為有效導熱率，為組分j的擴散通量為速度場包含化學反應(yīng)放（吸）熱以及任何其它的由用戶定義的體積熱源。

由于紅外輻射加熱板提高的輻射熱量為重要的熱源，所以上式中Sh為輻射能量，其控制方程如下：

式中，qout,k為離開表面的總輻射熱流，εk為發(fā)射率，δ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，qin,k為從周圍物體發(fā)出的入射輻射熱流。

3 瀝青路面紅外輻射溫度場的數(shù)值模擬與分析

將對加熱效果影響較大的加熱方法設(shè)定為一種長時間不引起瀝青路面起火且加熱效果較好的間斷加熱方法，整個間接加熱時間為720 s.如表1所示。

表1 間斷加熱方法

現(xiàn)場熱再生后路面的銑刨深度通常為4 cm～5 cm，所以在二維紅外輻射熱再生溫度場中選取瀝青路面表層的中點為一個溫度監(jiān)測點，在此點下2 cm、4 cm處設(shè)置溫度觀測點記錄各個試驗熱再生過程中溫度隨時間的變化。當風速為8.0 m/s～10.8 m/s時陸地地面物像為小樹搖擺，此時的風力明顯已不再適宜紅外輻射現(xiàn)場熱再生的工況。故選取環(huán)境中的風速分別取 0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s，仿真實驗結(jié)果如圖 2，3，4，5 所示。

圖2 風速0m/s下的瀝青路面溫度變化

圖3 風速8m/s下的瀝青路面溫度變化

圖4 不同風速下的距瀝青路面表層4cm處的溫度變化

圖5 不同風速下的瀝青路面輻射熱流密度變化

圖2，圖3所示分別為理想情況下與設(shè)定風速為8 m/s下紅外輻射加熱板對瀝青路面加熱720 min距地面不同深度的溫度變化情況。在無風的狀況下，瀝青路面隨加熱時間的延長表面層溫度最高可以達到280℃以上，而在風速為8 m/s的情況下瀝青路面表層的溫度最高不超過180℃.圖4所示為在不同風速狀況下，經(jīng)過加熱720 s后銑刨深度為4 cm處溫度變化。在無風的狀況下距地面4 cm深度處的溫度早已超過90℃，完全滿足熱再生銑刨預(yù)熱的溫度要求。而風速為8 m/s的狀況下距地面4 cm深度處的溫度還處于50～60℃，遠不能滿足施工要求。隨風速的增大，加熱720 s后4 cm深度處的溫度越低。總體說明風速對紅外輻射現(xiàn)場熱再生的加熱效果有較大影響。圖5所示為在不同風速下，沿瀝青路面表層從左到右1.15 m的距離下受到的輻射熱流密度。隨著風速的增大，瀝青路面表層受到的輻射熱流密度也在不斷降低。其中在風速大于0 m/s的情況下，從左到右的輻射熱流密度在逐步增強。將不同風速狀況下瀝青路面表層受到的輻射熱流密度平均后如表2所示。

表2 不同風速狀況下瀝青路面表層受到的平均輻射熱流密度

以風速為0 m/s的輻射熱流密度為標準參考值（功率為100%），則風速為2 m/s時達到84%，風速為4 m/s時為 65%，6 m/s時為 52%，8 m/s時為 43%.所以在不同風速狀況下按照輻射熱流密度的占比相應(yīng)的提高加熱系統(tǒng)的功率，則可將自然風速對加熱效果的影響最小化。

4 結(jié)論

本文通過Fluent數(shù)值分析軟件對瀝青路面紅外輻射就地熱再生試驗研究了不同風速狀況下的加熱效果的變化，得出了以下結(jié)論：

（1）隨風速的增大，紅外輻射的加熱效果不斷在下降。

（2）在自然風速為2 m/s時可將加熱系統(tǒng)加熱功率提高到正常功率的119%，在4 m/s時提高到156%，在6 m/s時提高到185%，在8 m/s時提高到232%.