瀝青路面熱風循環加熱機導流板結構參數優化

摘要：為提高瀝青路面熱風循環加熱效率，以熱風循環加熱機導流板為研究對象，采用有限差分法和泰勒級數展開法對射流沖擊傳熱問題進行數值求解，建立瀝青路面流固耦合傳熱模型；采用有限元軟件FLUENT仿真分析熱風射流沖擊傳熱流場，研究導流板內側傾斜角度（45°、50°、55°、60°、65°、70°）、外側傾斜角度（30°、35°、40°、45°、50°）對加熱效率的影響規律，采用正交試驗設計法制定30組試驗方案，獲得不同內、外側傾斜角度下瀝青路面的溫度場分布；計算特定溫度目標下熱風循環加熱時長，確定熱風循環加熱機導流板的結構參數。結果表明：當內、外側導流板傾斜角度不變時，加熱效率隨外、內側導流板傾斜角度的增大先減小后增大。當內、外側導流板傾斜角度分別為60°、40°時，熱風循環加熱瀝青路面的加熱效率較高。

關鍵詞：熱風循環加熱；導流板；傾斜角度；流固耦合；加熱效率

中圖分類號：U418.3;TK172文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2025）01-0090-10

0 引言

2023年我國公路總里程已達5.4368×106 km，位居世界首位[1]。正常情況下，高速公路、一級公路設計使用年限為15 a[2]。21世紀初修建的瀝青路已超過使用年限，瀝青路面出現不同程度的損壞，行車安全性和舒適度降低。采用合理的瀝青路面養護技術可恢復瀝青路面的路用性能，保證行車安全。目前，就地熱再生技術在瀝青路面養護中得到廣泛應用。該技術采用就地熱再生施工設備對舊瀝青路面進行加熱、銑刨，在舊瀝青路面混合料中加入新瀝青和再生劑，現場拌和、攤鋪和碾壓等作業。相對傳統冷再生技術，就地熱再生技術的優點是在銑刨前加熱舊瀝青路面，在銑刨時不會破壞舊瀝青路面混合料的級配，在拌和前加入新瀝青和再生劑，保證新瀝青路面瀝青混合料的抗疲勞性能，且全部回收利用原有舊瀝青路面混合料。

在熱風循環加熱[3-6]瀝青路面過程中，熱風循環加熱機導流板的結構參數對瀝青路面加熱效率有重要影響。Park等[7]建立射流沖擊傳熱的近壁湍流模型，可預測強應變湍流傳熱問題；Gu等[8]、Xiao等[9]、肖茹[10]、張江勇等[11]采用響應曲面法分析不同熱風參數對熱量利用率的影響，得到最佳熱風溫度和速度；徐信芯等[12-13]提出一種基于多噴嘴熱風加熱瀝青路面的變溫加熱方法，極大改善了瀝青路面的再生質量；劉文佳[14]通過正交實驗法，采用流體仿真軟件FLUENT對連續式加熱和間歇式加熱方式進行仿真分析，發現間歇式加熱方式的加熱效果較好。目前多依賴操作員的施工經驗設置瀝青路面熱風循環加熱過程中導流板的結構參數，缺乏理論依據。

本文基于傳熱學和流體力學的理論基礎，研究熱風循環加熱瀝青路面的主要影響因素和傳熱規律，建立瀝青路面的流固耦合傳熱模型，采用軟件FLUENT研究導流板的結構參數對瀝青路面加熱效率的影響，確定最優導流板內、外側傾斜角度，以期提高瀝青路面熱風循環加熱的效率。

1 熱風循環加熱原理

熱風循環加熱機主要由燃燒器、循環風機、助燃風機、溫度傳感器、溫度控制裝置、熱風加熱膛和熱風加熱腔組成[15-17]。熱風循環加熱原理示意圖如圖1所示。燃料和助燃空氣在燃燒器中充分混合后燃燒，最高溫度可達973.15 K，燃燒后產生的高溫煙氣將熱風加熱膛中的空氣加熱，由循環風機將其吹向熱風加熱腔，經熱風加熱腔中導流板的分流，使熱風均勻分布在加熱腔的出風面板上，通過熱風加熱腔底部的通風孔噴向瀝青路面，將瀝青路面加熱到合適的溫度后，帶有余溫的部分熱風在循環風機的作用下經回風通道進入熱風加熱膛，實現熱風的循環利用[18-19]。其余熱風進入周圍環境，經助燃風機進入燃燒器。在熱風循環加熱機工作過程中，采用溫度傳感器監測熱風溫度，通過溫度控制裝置調節燃料出口流量閥門，控制進入燃燒器的燃料量。

2 建立射流沖擊傳熱模型

熱風循環加熱機中燃料燃燒產生的高溫煙氣及熱風加熱膛中熱風為傳熱介質。根據熱風循環加熱原理和傳熱特性，瀝青路面熱風循環加熱屬于射流沖擊傳熱問題[20-22]，其數值求解基本步驟如圖2所示。1）建立控制方程與定解條件，采用有限差分法和泰勒級數展開法把時空坐標系中連續分布的溫度場離散化，建立離散方程組。2）簡化熱風與瀝青路面間復雜傳熱過程，設置溫度場的迭代初始條件，求解離散方程組。3）得到瀝青路面溫度場分布近似解，并對求解結果后處理。

2.1 數學模型

為簡化分析，對瀝青路面射流沖擊傳熱問題作如下假設：流體為三維非定常流動，流體為不可壓縮的牛頓型流體，流體物性為常數、無內熱源，黏性耗散產生的耗散熱忽略不計。

在熱風與瀝青路面的對流傳熱過程中，流體相和固體相同時存在，熱風與瀝青路面間溫度場為復雜的流固耦合狀態，需建立熱風與瀝青路面流固耦合傳熱數學模型。熱風加熱腔出風面板采用圓形通風孔，其速度場和溫度場呈軸對稱分布，選取過圓形通風孔軸線的截面，在該截面熱風遵循質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[23]。選取圓形通風孔的圓心為坐標原點，采用直角坐標系建立瀝青路面對流傳熱方程。

質量守恒方程為：

式中：ρ為熱風密度，kg/m3；u、v和w分別為熱風在x、y和z方向的速度，m/s。

動量守恒方程為：

式中：τ為時間，s；p為壓強，Pa；η為動力黏度，N·s/m2；Fx、Fy和Fz分別為體積力在x、y和z方向的分量，N/m3。

能量守恒方程為：

式中：cp為定壓熱容，J/（kg·K）；λ為導熱系數，W/（m·K）；T為熱風的熱力學溫度，K。

2.2 定解條件及區域離散化

瀝青路面熱風循環加熱問題的定解條件主要包括Dirichlet條件和Neumann條件：Dirichlet條件指邊界的溫度tw為常量；Neumann條件是邊界的熱流密度qw為常量。

對求解區域劃分網格，節點坐標為（m，n），兩節點間距為步長，x、y方向的步長分別記作Δx和Δy，如圖3所示。每個節點可視為以其為中心形成的正方形區域代表，圖3中的陰影區域是節點（m，n）所代表的區域，稱為控制容積[3]。

2.3 建立節點離散方程

采用有限差分法和泰勒級數展開法[24]，根據節點（m，n）處的溫度Tm，n計算節點（m+1，n）和（m－1，n）處的溫度Tm+1，n和Tm-1，n，分別為：

聯立式（1）（2），對x求二階偏導為：

式中O（Δx2）為x方向的二階截斷誤差。

根據節點（m，n）處的溫度Tm，n計算節點（m，n+1）和（m，n－1）處的溫度Tm，n+1和Tm，n-1，分別為：

聯立式（4）（5），對y求二階偏導為：

式中O（Δy2）為y方向的二階截斷誤差。

聯立式（3）（6），忽略二階截斷誤差O（Δx2）、O（Δy2），節點（m，n）處溫度的離散方程為：

3 建立仿真模型

3.1 三維模型及網格劃分

采用FLUENT中的模塊spaceClaim對熱風循環加熱機的熱風加熱腔及瀝青路面進行三維建模，為方便分析和計算，對其結構合理簡化，按實際尺寸設計三維模型中熱風加熱腔關鍵結構，如圖4所示。

采用FLUENT中的模塊mesh對熱風加熱腔及瀝青路面進行網格劃分，結果如圖5所示。采用節點共享處理流體域和固體域的接觸面，保證接觸面熱流密度的連續性，采用四面體劃分網格流體域，六面體劃分網格固體域。在接觸面上設置5層邊界層，靠近流體域的第1層邊界層厚10 mm，第2～5層邊界層厚度依次比前一層增大10%。設置流體域和固體域的單元邊長為50 mm，共劃分為378 357個網格節點，1 638 515個網格單元。

3.2 瀝青路面的熱物性參數

瀝青路面分為面層、基層和底基層，其中面層結構由上面層、中面層和下面層組成，各面層結構的瀝青混合料熱物性參數如表1所示。

3.3 設置邊界條件和相關參數

在FLUENT中設置熱風入口速度為8 m/s，熱風溫度為923.15 K，瀝青路面的溫度為313.15 K，導熱系數為1.3 W/（m·K），密度為2 350 kg/m3，比熱容為960 J/（kg·K），耦合面傳熱系數為16 W/（m2·K），熱生成率為858 kW/m3，回風進口速度為16 m/s，進口溫度為473.15 K，壓力速度耦合方案為Coupled類型。熱風循環加熱過程中對流和耗散對熱風湍流影響較大，建立Realizable k-ε湍流模型微分方程（k為湍流動能，J；ε為湍流耗散率，%），能較好模擬射流沖擊耦合傳熱過程。Realizable k-ε模型的湍動能方程[25]為：

式中：η為動力黏度，N·s/m2；xi為空間坐標分量；Gk為熱風平均速度梯度產生的湍動能，J；Gb為熱風平均浮力產生的湍動能，J；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響因子；μt為湍流黏性系數，μt=0.09；σk為常數，σk=1.0。

耗散率輸送方程[25]為：

式中：ν為運動黏度，m2/s；C1ε、C2ε、C3ε為常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σε為常數，σε=1.2；S為應變率，s-1。

4 仿真結果的分析

對加熱后的瀝青路面進行銑刨工作。熱風加熱銑刨機的銑刨深度通常為4 cm，因此需對距瀝青路面表面4 cm內的瀝青混合料進行就地熱再生，瀝青路面表層平均溫度達到453.15 K時，距瀝青路面表面4 cm處平均溫度可達363.15 K，達到銑刨要求[26-28]。以距瀝青路面表面4 cm處平均溫度達到363.15 K時所用加熱時間判斷加熱效率，加熱時間越長，加熱效率越低。

設計5個導流板，為保證熱風加熱腔入口處熱風的質量流率平均分配，采用等距排列導流板上方部位，設置導流板外側傾斜角度φ分別為30°、35°、40°、45°、50°，內側傾斜角度θ分別為45°、50°、55°、60°、65°、70°，采用正交試驗設計法，制定30組試驗方案，如表2所示。計算距瀝青路面表面4 cm處平均溫度達到363.15 K時所用加熱時間，確定最優內、外側導流板的傾斜角度，提高熱風循環加熱瀝青路面的加熱效率。

4.1 熱風射流沖擊傳熱流場分析

在FLUENT中建立瀝青路面熱風射流沖擊傳熱模型，選取熱風溫度為923.15 K，熱風速度為8 m/s，瀝青路面初始溫度為313.15 K，出風面板通風孔直徑為0.20 m，仿真模擬得到熱風射流加熱瀝青路面鉛垂切面的速度矢量分布如圖6所示，溫度場分布如圖7所示。

由圖6可知：熱風對瀝青路面射流沖擊傳熱時，速度矢量分布明顯對稱，存在射流沖擊流動的3個主要流動區域，分別為自由射流區、滯止區和壁面射流區。自由射流區的熱流速度較大，可豎直吹向瀝青路表面，熱風到達路面后，相鄰通風孔間的相互影響產生上噴流動區，該區域會產生旋渦流動，流體產生小范圍再循環。

由圖7可知：熱風從通風孔射流沖擊加熱瀝青路面的溫度場分布明顯對稱，與速度場分布相似，在瀝青路面表層形成較薄的邊界層。熱風加熱腔中間位置的熱風豎直向下吹向瀝青路面，中間位置溫度最高，向兩側溫度逐漸降低；位于通風孔位置的瀝青路面溫度較高，沿徑向向外溫度遞減，且該位置的熱量沿豎直方向傳遞最快。

綜上可知，熱風循環加熱瀝青路面的速度場和溫度場分布基本符合射流沖擊傳熱的理論規律[4]。

4.2 不同內、外側導流板傾斜角度對加熱效率的影響

導流板外側傾斜角度φ分別為30°、35°、40°、45°、50°時，不同內側傾斜角度θ下，距瀝青路面表面4 cm處平均溫度達到363.15 K時，其溫度場分布云圖如圖8～12所示。

根據仿真試驗結果，統計圖8～12中平均溫度、加熱時間等數據，得到距瀝青路面表面4 cm處平均溫度達到363.15 K時所用加熱時間與不同φ、θ的關系，如圖13所示。

由圖13可知：內、外側導流板傾斜角度分別不變時，隨外、內側導流板的傾斜角度增大，距瀝青路面表面4 cm處的平均溫度達到363.15 K所用加熱時間均先減小后增大。導流板內、外側傾斜角度分別為60°和40°時，所用加熱時間較短，熱風循環加熱瀝青路面的加熱效率較高。

5 結論

以瀝青路面熱風循環加熱機中導流板為研究對象，采用有限差分法和和泰勒級數展開法，對瀝青路面射流沖擊傳熱問題進行數值模擬求解，建立瀝青路面射流沖擊耦合傳熱模型，采用FLUENT仿真分析不同導流板內、外側傾斜角度對加熱效率的影響，提高瀝青路面熱風循環加熱效率。

1）基于流體力學和傳熱學理論知識，分析熱風循環加熱瀝青路面的基本原理和傳熱過程，建立瀝青路面射流沖擊耦合傳熱的數學模型和三維模型。

2）建立射流沖擊傳熱數學模型，采用正交試驗設計法制定試驗方案，通過仿真試驗得到不同導流板內、外側傾斜角度下瀝青路面的溫度場分布，以及不同導流板內、外側傾斜角度對距瀝青路面表面4 cm處平均溫度加熱到363.15 K所用時間的影響關系，確定最優導流板內、外側傾斜角度。

3）當內、外側導流板傾斜角度分別不變時，加熱效率隨外、內側導流板傾斜角度的增大均先減小后增大。當導流板內、外側傾斜角度分別為60°和40°時，距瀝青路面表面4 cm處平均溫度達到363.15 K所用加熱時間較短，熱風循環加熱瀝青路面的加熱效率較高，施工成本降低，可為熱風循環加熱機導流板設計提供試驗依據。

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Optimization of deflector plate structure parameters for hot air

circulation heating machine of asphalt pavement

Abstract：In order to improve the efficiency of hot air circulation heating for asphalt pavement， this study focuses on the deflector plate in hot air circulation heating machines. Using finite difference method and Taylor series expansion， a numerical solution for jet impingement heat transfer is developed， a fluid-solid coupling heat transfer model for asphalt pavement is established. Finite element software FLUENT is employed to simulate and analyze the heat transfer field of hot air jet impingement， investigate the influence of inner inclination angles （45°， 50°， 55°， 60°， 65°， 70°） and outer inclination angles （30°， 35°， 40°， 45°， 50°） of the deflector plate on heating efficiency. Orthogonal experimental design is used to design 30 sets of experimental schemes. Temperature field distributions of asphalt pavement under different inner and outer inclination angles are obtained. The hot air circulation heating duration for specific temperature targets is calculated and the structural parameters of the deflector plate in hot air circulation heating machines are determined. Results show that when the inner or outer deflector plate inclination angle remains constant， heating efficiency first decreases and then increases as the outer or inner deflector plate inclination angle increase. The higher heating efficiency of hot air circulation heating asphalt pavement is achieved when the inner and outer deflector plate inclination angles are 60° and 40° respectively.

Keywords：hot air circulation heating; deflector plate; inclination angle; fluid-structure coupling; heating efficiency