瀝青發(fā)泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價

1、瀝青發(fā)泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價       摘要：為制定瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價機制，提出了基于瀝青發(fā)泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價方法，即建立瀝青發(fā)泡過程動力學模型，以解析不同發(fā)泡腔結構下的多相流場分布通過解析結果與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了上述模型的有效性；進而建立發(fā)泡腔結構設計的評價指標，與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析后，得到了瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價機制，且在一定程度上揭示了瀝青發(fā)泡機理，即發(fā)泡腔內瀝青與水的混合均勻度越差、溫度波動越大、水蒸氣越少，則瀝青發(fā)泡效果越好，發(fā)泡腔結構設計越合理   

2、   關鍵詞：瀝青發(fā)泡腔；結構設計；多相流場；對比評價   瀝青發(fā)泡技術以其巨大的經濟效益和環(huán)保價值，在道路施工中得到越來越廣泛的應用因而，國內外學者對瀝青發(fā)泡機理、泡沫瀝青特性評價指標做了大量研究，通過試驗測試研究了影響瀝青發(fā)泡質量的因素和最佳發(fā)泡條件，并提出了瀝青發(fā)泡質量控制方程及其參數(shù)化模型以上研究的共同點是：均研究了瀝青發(fā)泡條件對瀝青發(fā)泡效果的影響，但并未研究瀝青發(fā)泡過程中發(fā)泡腔內多相流場與瀝青發(fā)泡效果的關系，且未提出瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價機制為此，本文建立了瀝青發(fā)泡過程的動力學模型，通過多相流場解析與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證模型

3、的有 第卷效性，在此模型的基礎上提出瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價指標，得到瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價機制，且在一定程度上說明瀝青發(fā)泡的機理   瀝青發(fā)泡過程動力學模型瀝青發(fā)泡是具有相變和熱交換的復雜的強非線性動力學過程瀝青被加熱至以上，以一定壓力噴入發(fā)泡腔，此時處于環(huán)境溫度下的水和壓縮空氣從另一個噴口以一定壓力噴入發(fā)泡腔，三者在發(fā)泡腔中接觸，水分迅速蒸發(fā)，從而使瀝青產生爆炸泡沫，體積膨脹至原來的至倍，這時瀝青黏度急劇下降，與混合料具有較好的裹覆性瀝青發(fā)泡過程如圖所示，發(fā)泡腔通常是圓柱體，上部開口為瀝青噴口，左右兩側為水和空氣噴口，泡沫瀝青從發(fā)泡腔底部噴出瀝青發(fā)泡過程該過程在發(fā)泡腔

4、內的流動是三維流動問題，但按三維流動問題來分析多相流非常困難為了簡化模型，本文用二維數(shù)值模擬來反映發(fā)泡腔內的流場情況采用計算流體力學軟件對瀝青發(fā)泡過程中發(fā)泡腔內多相流場進行二維數(shù)值模擬，選擇（）模型，因為模型適用于相變及熱交換的多相流場，而瀝青發(fā)泡是具有復雜相變和熱交換的多相流過程以穩(wěn)定后的多相流場為研究對象，分析發(fā)泡腔內多相流場特性，動力學模型連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程分別為：（）（）（）（）（珗）（珗珗）（珗珗）珝珝（）（）珗（）（）（）式中：為流體密度；為流體微元體上的重力體積力；，為，各方向上的速度；為微元體上的壓力；為動力黏度；為外界在微元體上的作用力；為有效熱傳導系數(shù)；

5、為各相質量加權平均能量；為各相質量加權平均溫度；為化學反應以及其他體積熱源項和的計算公式分別為： ， 式中：，分別為各相能量和溫度；為各相權重系數(shù)；為各相密度根據(jù)模型進行參數(shù)設置，把空氣相作為可壓縮相，采用默認值；瀝青密度設為，溫度設為，熱傳導系數(shù)設為（·），瀝青的動力黏度通過插值設定，插值點如表所示；水溫設為，密度為，熱傳導系數(shù)設為（·），動力黏度設為·選用帶旋流修正的湍流模型，利用算法對控制方程進行離散化處理，通過對連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程的連續(xù)迭代求解，可以得到發(fā)泡腔內多相流場的數(shù)值解析結果，為更精確表瀝青動力黏度插值點 （·） 地描

6、述瀝青發(fā)泡過程提供理論基礎   瀝青發(fā)泡腔多相流場解析通用標準結構發(fā)泡腔流場的數(shù)值解析在上述動力學模型的基礎上，以通用標準結構發(fā)泡腔為研究對象，根據(jù)試驗實際情況，空氣入口壓力設定為，水入口速度設定為，瀝青入口速度設定為利用計算流體力學軟件對動力學模型進行數(shù)值解析，得到發(fā)泡腔中瀝青、水、水蒸氣、空氣的多相流場分布，如圖所示第期 王安麟，等：瀝青發(fā)泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價 發(fā)泡腔內多相流場分布由可見，壓縮空氣將高溫瀝青壓向水入口處，讓高溫瀝青和水充分接觸；高溫瀝青使水充分蒸發(fā)，從而使瀝青急速膨脹，產生爆炸性泡沫，即生成泡沫瀝青解析結果符合瀝青發(fā)泡機理

7、0;     不同結構發(fā)泡腔的試驗數(shù)據(jù)與流場解析的對比分析瀝青發(fā)泡過程中，瀝青發(fā)泡參數(shù)（加水量、溫度等）一定時，發(fā)泡腔的不同結構尺寸對瀝青發(fā)泡效果有著至關重要的影響為了驗證上述動力學模型的有效性并制定瀝青發(fā)泡腔結構設計評價機制，本文通過改變發(fā)泡腔的結構尺寸，不改變其他條件，設計制造了個結構發(fā)泡腔，并以膨脹率和半衰期作為評價指標進行瀝青發(fā)泡試驗個發(fā)泡腔的膨脹率和半衰期均呈遞減趨勢，而根據(jù)其多相流場數(shù)值解析得到的瀝青、水、空氣各相體積分數(shù)的標準差也均呈遞減趨勢，說明發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)和多相流場數(shù)值解析存在確定的相關性因此，在不完全清楚瀝青發(fā)泡機理和無法完全建立瀝青

8、發(fā)泡過程模型的情況下，本文所建立的動力學模型在某種程度上能真實地反映不同結構發(fā)泡腔的瀝青發(fā)泡過程，在一定程度上表明該動力學模型對于求解不同結構發(fā)泡腔瀝青發(fā)泡過程是有效的      瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價機制盡管瀝青發(fā)泡在許多工程施工中得到應用，但是其發(fā)泡腔結構設計還無明確的評價機制為滿足未來瀝青發(fā)泡裝置快速化設計的需求，本文提出瀝青發(fā)泡腔結構設計評價機制，在未做實際發(fā)泡腔試驗的前提下，依然可以用該評價機制來評價發(fā)泡腔結構設計的好壞瀝青發(fā)泡腔結構設計評價機制建立在發(fā)泡腔多相流場解析結果的基礎上為排除影響結果的極值點，從發(fā)泡腔中選取滿足瀝青體積分

9、數(shù)大于且水體積分數(shù)大于的點，由這些點組成的區(qū)域稱為瀝青發(fā)泡敏感區(qū)域分別計算該區(qū)域內各個點的水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差、水蒸氣占水的比例，將計算得到的這個變量與發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)進行對比評價，以確定不同發(fā)泡腔結構設計的優(yōu)良性將上述個變量作為瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價指標，以此來評價瀝青發(fā)泡腔結構設計計算結果與個發(fā)泡腔的試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差呈現(xiàn)遞減趨勢，水蒸氣表水占瀝青體積、溫度的平均值和標準差及水蒸氣占水的比例占水的比例呈現(xiàn)遞增趨勢，而發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)中膨脹率和半衰期也呈現(xiàn)遞減趨勢，從而在一定程度上表明用水占瀝青體積的平均值

10、和標準差、溫度的平均值和標準差、水蒸氣占水的比例這個評價指標來評價發(fā)泡腔結構設計是合理的進一步結合瀝青發(fā)泡機理，得到發(fā)泡腔結構設計的評價機制為：發(fā)泡腔發(fā)泡敏感區(qū)域內水占瀝青體積的平均值和標準差越大，溫度的平均值和標準差越大，水蒸氣占水比例越小，該發(fā)泡腔的結構設計越好該評價機制可以實現(xiàn)未來瀝青發(fā)泡腔結構的快速化設計，推進泡沫瀝青的工程化應用該對比評價機制不僅可以評價瀝青發(fā)泡腔的結構設計，而且還在一定程度上揭示了瀝青發(fā)泡機理通過對比評價機制，得到的結論是水占瀝青體積的平均值和標準差越大，溫度的平均值和標準差越大，水蒸氣占水比例越小，該發(fā)泡腔結構設計越好從瀝青發(fā)泡機理微觀角度來解釋上述結論即是：發(fā)泡

11、腔內瀝青與水的混合均勻度越差，溫度波動越大，水蒸氣越少，瀝青發(fā)泡效果越好顯然，這一結論與傳統(tǒng)的瀝青發(fā)泡時瀝青與水混合越均勻越好的觀點相違背由此說明，瀝青發(fā)泡是復雜的強非線性動力學過程，傳統(tǒng)的線性力學觀點難以準確描述瀝青發(fā)泡動力學過程，而本文所建立的瀝青發(fā)泡腔多相流場解析與試驗的對比評價機制在一定程度上揭示了瀝青發(fā)泡機理，對瀝青發(fā)泡腔結構設計和瀝青發(fā)泡機理的深入探討提供了新的思路      總結（）瀝青發(fā)泡是極其復雜的非線性動力學過程在深入分析瀝青發(fā)泡機理的基礎上，建立了瀝青發(fā)泡的動力學模型；運用計算流體力學軟件解析瀝青發(fā)泡腔內的多相流場分布，通過與發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)對第期 王安麟，等：瀝青發(fā)泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價 比后發(fā)現(xiàn)，該模型合理（）提出了基于瀝青發(fā)泡腔多相流場解析與試驗的對比評價方法，并建立瀝青發(fā)泡腔結構設計的評價指標與發(fā)泡試驗結果進行比較后得出的評價機制為