瀝青混凝土道路溫度主動控制實驗與數值模擬研究*

李婷婷 劉 洋

(陜西交通職業技術學院1) 西安 710018) (西安建筑科技大學土木工程學院2) 西安 710055)

0 引 言

瀝青混凝土路面是我國高速公路的主要表面結構形式[1]，全國有超過90%的道路采用瀝青混凝土路面.瀝青混凝土作為一種黑色路面，對太陽輻射的吸收能力極強，夏季太陽的持續熱輻射能量被瀝青路面大量吸收，且無法有效釋放，導致路面溫度超過環境溫度25 ℃以上.瀝青是一種感溫性材料，其混合料的勁度模量隨著自身溫度的升高而迅速降低，導致其抗壓能力下降，使得路面在行車重載的作用下易發生變形，影響了瀝青混凝土路面的高溫穩定性[2-3].基于主動冷卻方法的管形換熱器在高溫部件溫度控制中的應用日趨廣泛，通過引入冷卻流體，利用強化對流換熱方法及管路的合理布置，增大高溫結構內的有效換熱面積，提高換熱強度，進而達到控制溫度的目的.基于瀝青混凝土路面的夏季溫度控制需求及主動冷卻結構的高效熱防護性能，在瀝青混凝土路面結構中應用主動冷卻換熱器的相關研究已開展了一些研究.Rajib等[4]采用灑水降溫和在路面下鋪設換熱管路的方法對瀝青路面溫度控制開展研究，結果表明，換熱器中的冷卻流體可帶走瀝青混凝土結構中的大量蓄熱，可有效降低路面溫度.文獻[5-7]對熱管在瀝青混凝土溫度場調節中的作用進行了室內模擬，結果表明,熱管可以提高路面的熱穩定性，是否采用主動冷卻方法對瀝青混凝土內部溫度場具有較大影響，內部不同點位的溫差最高可達20 ℃以上.黃俊[8-9]對西安高速公路瀝青路面夏季降溫技術開展了研究，分析了不同降溫措施的技術特點和溫度控制效果.

文中選取瀝青混凝土和U形管水冷換熱器為研究對象，設計了帶U形管換熱器瀝青混凝土和勻質混凝土兩種模型，利用光源輻射模擬陽光輻射條件開展實驗研究，并采用有限元方法建立了相應的三維數值計算模型，對瀝青混凝土路面在不同熱邊界條件下的換熱特性進行了數值模擬研究，獲得了U形管換熱器主動冷卻方法對瀝青混凝土路面溫度控制的影響規律，這有助于拓展主動冷卻方法的應用范圍，也為提高夏季瀝青混凝土路面的熱穩定性的方案設計提供了新思路.

1 實驗模型與數值模擬方法

根據研究目標，設計了兩種瀝青混凝土路面結構實驗模型.①均勻的混凝土構件;②內置U形冷卻管的瀝青混凝土路面結構的實驗模型.帶U形冷卻管的三維實驗件模型見圖1.瀝青混凝土材料選用砂石與改性瀝青混合物，是一種壓緊的密實性結構.U形管管壁結構為鋼合金，內部工作冷卻流體為水.長方形瀝青混凝土路面結構實驗模型的x方向長1 000 mm，y方向寬500 mm，z方向厚240 mm.換熱器U形管外徑10 mm、內徑8 mm、壁厚1 mm，其中相鄰管間距為50 mm，回轉段長200 mm，U形轉彎半徑為25 mm.U形管埋設于瀝青混凝土路面之下40 mm，其中瀝青混凝土中的埋設長度為220 mm.冷卻工質水從U形管的入口端流入瀝青混凝土結構內部，從出口端流出.實驗模型的具體幾何尺寸與物性參數見表1.

物性參數瀝青混凝土U形管水密度ρ/(kg·m-3)2.33×1038.03×1031.00×103導熱系數λ/(W·m-1·K-1)1.5116.270.60比定壓熱容cp/(W·kg-1·K-1)9205024 182

實驗中換熱管路的供水與回水系統見圖2a)，加熱及數據采集系統見圖2b).換熱管路由上水箱供水，冷卻水量由閥門進行調節，流量由流量計進行測量，在實驗件內進行換熱后，冷卻水由回水箱進行收集.在換熱管路的進口與出口，均安裝有顯數式熱電偶溫度計測量溫度.實驗中采用安裝有4個紅外射線燈的光源系統模擬太陽輻射，通過采用不同的紅外射線燈功率模擬太陽輻射強度的變化.光源系統由穩壓電源供電，以消除功率波動.在瀝青混凝土中預埋了兩層三排四列共24個測溫熱電偶，上層熱電偶距瀝青混凝土表面1 mm，下層熱電偶位于瀝青混凝土路面下方40 mm，處于U形管換熱器平面.熱電偶輸出的電信號經信號轉化器放大處理后由溫度采集系統記錄，并轉變為溫度數據.實驗件外圍采用保溫泡沫材料制成保溫層，減少實驗件與外部環境間的熱交換.

實驗過程中首先根據預設工況打開供水閥門，并通過調節閥門使冷卻水達到預定流量，待上水、回水系統穩定后，測量冷卻水入口及環境初始溫度.啟動數據采集系統，檢測熱電偶溫度示數的穩定性和實驗模型初始溫度的一致性，做好數據采集準備.啟動穩壓電源，待示數穩定后打開光源系統開關，開始對實驗件加熱，同時開始采集實驗數據.實驗中模擬了瀝青混凝土路面太陽輻射熱流密度為700和1 000 W/m2的兩種工況，實驗時長為6 000 s.

圖2 實驗及測量系統示意圖

2 數值模擬方法

在實驗模型的基礎上建立數值計算三維模型，模型尺寸及結構與實驗模型相一致，并利用CFD軟件對計算域進行了網格劃分，計算模型與局部網格圖見圖3.在計算網格中，首先對計算域進行劃分，瀝青混凝土與U形管壁為固體域，U形管內部為流體域.在U形管內的流體域內，通過在管壁區域添加附面層的方式進行了局部網格加密.U形管及其所處的一層瀝青混凝土固體域采用四面體網格，而對于瀝青混凝土表面層和基層，則采用平鋪的方式在整個計算域生成五面體體網格.計算模型的邊界條件為：瀝青混凝土路面為等熱流密度壁面，側壁面和基層底面為絕熱壁面，材料物性為各向同性.U形管與瀝青混凝土接觸的壁面，以及水與U形管接觸的壁面為耦合壁面.針對計算模型設計了三種計算網格，網格數分別為240萬、460萬和1 000萬.計算結果表明，總網格數約為460萬時已經滿足了網格無關性要求，因此，計算中選取網格節點數約176萬，總數約為460萬的網格開展數值模擬.

圖3 帶U形管換熱器瀝青混凝土結構三維計算模型及局部網格圖

利用ANSYS Fluent 對三維計算模型的換熱特性進行了模擬計算.采用一階隱格式非穩態傳熱計算方法，時間步長為0.5 s.瀝青混凝土路面采用兩種熱流密度的熱邊界條件，熱流密度分別為700和1 000 W/m2.模型初始溫度及水的進口溫度都設定為300 K，工況的計算時長為6 000 s.在三維模型的不同位置，共選取了三處截面作為溫度監控面，分別為瀝青混凝土路面、U形管水平截面(z方向截面)以及U形管出口截面.

3 結果分析

圖4為不同熱邊界條件下實驗模型典型截面平均溫度隨時間變化的測量結果.由圖4a)可知，當光源開始對帶U形管換熱器的瀝青混凝土路面進行加熱后，瀝青混凝土路面溫度迅速升高，在前600 s內的升溫速率最高.隨后，路面升溫速率降低.隨著加熱時長的增加，路面呈現近似線性的升溫規律.U形管換熱器水平截面的升溫速率明顯小于瀝青混凝土路面的升溫速率，其溫度隨時間也呈現近似線性的變化規律.隨著加熱時間增加至2 400 s以上，U形管水平截面與瀝青混凝土路面間的溫差變化不大，基本保持在11 K左右.U形管換熱器出口截面的平均溫度最低，當加熱至6 000 s時，其與瀝青混凝土路面間的最大溫差達到約15 K.與之相比，不帶換熱器的實驗模型的瀝青混凝土路面溫度變化規律與帶U形管換熱器實驗模型的實驗結果非常一致，且數值也很接近.而對于U形管換熱器水平截面，勻質混凝土實驗模型的平均溫度明顯高于帶換熱器實驗模型的相應結果，兩者溫差達到4 K.

圖4 不同輻射強度下實驗件典型截面平均溫度隨時間的變化規律

當光源的輻射熱流強度增加至1 000 W/m2后，對于兩種瀝青混凝土實驗件，其結構內的溫度變化規律與輻射熱流強度為700 W/m2時的情況非常相似，但路面最終溫度達到約350 K，路面平均溫度與U形管換熱器出口截面的平均溫度的最大差值達到約20 K，均出現較大增加.

圖5為不同加熱時間后，帶U形管換熱器瀝青混凝土結構的三維計算模型溫度場分布結果.由圖5a)可知，在對瀝青混凝土路面加熱300 s后，瀝青混凝土吸收熱量很少，僅在模型邊緣靠近絕熱壁面處溫度略有升高.由瀝青混凝土路面進入結構內部的熱量還未影響到U形管換熱器，冷卻水由換熱器進口流入，到從出口流出過程中溫度幾乎沒有變化.當加熱時長增加到1 500 s后，瀝青混凝土路面吸收熱量后的蓄熱影響變得較為明顯.瀝青混凝土路面和絕熱壁面溫度已明顯高于初始溫度，邊緣處溫度上升則更為明顯，由表面向內部的熱量傳遞已經對U型管換熱器產生影響，換熱管壁溫度有所升高.隨著加熱時間增加至3 000 s，瀝青混凝土結構的整體溫度進一步升高，在結構邊緣和路面尖角處形成明顯的局部高溫區.瀝青路面溫度分布的不均勻度提高，路面中心區域的溫度明顯小于邊緣位置，表明部分蓄積熱量被U型管換熱器內的冷卻水帶走，從而減小了升溫幅度.相應的，U型管壁面溫度進一步升高.當加熱時間增加至4 500和6 000 s后，瀝青混凝土結構不同位置處的溫差持續增大，其中邊緣和中心位置的最大溫差增大至30 K以上.冷卻水通過U型管換熱器帶走瀝青混凝土結構內部熱量的同時，自身溫度也進一步升高，導致冷卻水進、出口溫差增大.

圖5 內置U形冷卻管的瀝青混凝土結構三維溫度場分布圖

圖6為帶U形管換熱器瀝青混凝土結構中典型截面平均溫度變化規律的數值模擬結果，對比數值模擬結果與實驗結果可以看出，各典型截面平均溫度隨時間的變化規律非常一致，具體數值也很接近.上述結果表明，本研究中采用的數值計算方法能夠獲取帶U形管換熱器瀝青混凝土結構內部溫度分布的準確數據，有助于揭示該結構的溫度變化特性.

圖6 不同熱邊界條件下典型截面平均溫度隨加熱時長變化規律

綜合上述U形管換熱器瀝青混凝土結構的典型截面平均溫度變化規律的實驗與數值模擬結果可以看出：路面輻射熱流強度是影響瀝青混凝土結構在一定加熱時長后最終溫度的主要因素，表面熱流密度越高，則路面及整體結構的最終溫度越高，但結構溫度的上升速率不會發生明顯變化；U形冷卻管主動冷卻方法對瀝青混凝土結構能起到很好的降溫效果，在冷卻管的工作區域，路面溫度明顯低于周圍區域；冷卻水帶走了大量結構內部的蓄積熱量，從進口至出口，冷卻水溫度上升20 K以上.

4 結 論

1) 在表面熱流作用下，瀝青混凝土結構溫度隨時間變化的具體數值與表面熱流密度直接相關，表面熱流密度越大，則結構溫度越高，但結構溫度的變化規律不受熱流密度數值變化的影響.

2) U形管換熱器能有效吸收瀝青混凝土結構的內部蓄熱，能夠延緩外部熱量向更深層次的滲透，對瀝青混凝土路面具有明顯降溫效果.

3) 非穩態數值模擬結果與實驗結果符合的很好，有助于從機理方面揭示結構內部的傳熱特性，獲得更為全面細致的溫度場分布及變化信息.

4)采用主動冷卻方法是控制瀝青混凝土結構溫度的有效方法，既有利于降低局部高溫區的溫度，又能提高整體結構的溫度均勻性，降低結構應力，是確保夏季瀝青混凝土路面的熱穩定性的新思路.