瀝青發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià)

1、瀝青發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià)       摘要：為制定瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)機(jī)制，提出了基于瀝青發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià)方法，即建立瀝青發(fā)泡過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，以解析不同發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)下的多相流場(chǎng)分布通過(guò)解析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了上述模型的有效性；進(jìn)而建立發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，得到了瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)機(jī)制，且在一定程度上揭示了瀝青發(fā)泡機(jī)理，即發(fā)泡腔內(nèi)瀝青與水的混合均勻度越差、溫度波動(dòng)越大、水蒸氣越少，則瀝青發(fā)泡效果越好，發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越合理   

2、   關(guān)鍵詞：瀝青發(fā)泡腔；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；多相流場(chǎng)；對(duì)比評(píng)價(jià)   瀝青發(fā)泡技術(shù)以其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值，在道路施工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用因而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青發(fā)泡機(jī)理、泡沫瀝青特性評(píng)價(jià)指標(biāo)做了大量研究，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試研究了影響瀝青發(fā)泡質(zhì)量的因素和最佳發(fā)泡條件，并提出了瀝青發(fā)泡質(zhì)量控制方程及其參數(shù)化模型以上研究的共同點(diǎn)是：均研究了瀝青發(fā)泡條件對(duì)瀝青發(fā)泡效果的影響，但并未研究瀝青發(fā)泡過(guò)程中發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)與瀝青發(fā)泡效果的關(guān)系，且未提出瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)機(jī)制為此，本文建立了瀝青發(fā)泡過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型

3、的有 第卷效性，在此模型的基礎(chǔ)上提出瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)機(jī)制，且在一定程度上說(shuō)明瀝青發(fā)泡的機(jī)理   瀝青發(fā)泡過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型瀝青發(fā)泡是具有相變和熱交換的復(fù)雜的強(qiáng)非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程瀝青被加熱至以上，以一定壓力噴入發(fā)泡腔，此時(shí)處于環(huán)境溫度下的水和壓縮空氣從另一個(gè)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(chǎn)生爆炸泡沫，體積膨脹至原來(lái)的至倍，這時(shí)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(guò)程如圖所示，發(fā)泡腔通常是圓柱體，上部開(kāi)口為瀝青噴口，左右兩側(cè)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(guò)程該過(guò)程在發(fā)泡腔

4、內(nèi)的流動(dòng)是三維流動(dòng)問(wèn)題，但按三維流動(dòng)問(wèn)題來(lái)分析多相流非常困難為了簡(jiǎn)化模型，本文用二維數(shù)值模擬來(lái)反映發(fā)泡腔內(nèi)的流場(chǎng)情況采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)瀝青發(fā)泡過(guò)程中發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬，選擇（）模型，因?yàn)槟Ｐ瓦m用于相變及熱交換的多相流場(chǎng)，而瀝青發(fā)泡是具有復(fù)雜相變和熱交換的多相流過(guò)程以穩(wěn)定后的多相流場(chǎng)為研究對(duì)象，分析發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)特性，動(dòng)力學(xué)模型連續(xù)性方程、動(dòng)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(dòng)力黏度；為外界在微元體上的作用力；為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；

5、為各相質(zhì)量加權(quán)平均能量；為各相質(zhì)量加權(quán)平均溫度；為化學(xué)反應(yīng)以及其他體積熱源項(xiàng)和的計(jì)算公式分別為： ， 式中：，分別為各相能量和溫度；為各相權(quán)重系數(shù)；為各相密度根據(jù)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，把空氣相作為可壓縮相，采用默認(rèn)值；瀝青密度設(shè)為，溫度設(shè)為，熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為（·），瀝青的動(dòng)力黏度通過(guò)插值設(shè)定，插值點(diǎn)如表所示；水溫設(shè)為，密度為，熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為（·），動(dòng)力黏度設(shè)為·選用帶旋流修正的湍流模型，利用算法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，通過(guò)對(duì)連續(xù)性方程、動(dòng)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(nèi)多相流場(chǎng)的數(shù)值解析結(jié)果，為更精確表瀝青動(dòng)力黏度插值點(diǎn) （·） 地描

6、述瀝青發(fā)泡過(guò)程提供理論基礎(chǔ)   瀝青發(fā)泡腔多相流場(chǎng)解析通用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔流場(chǎng)的數(shù)值解析在上述動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以通用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔為研究對(duì)象，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，空氣入口壓力設(shè)定為，水入口速度設(shè)定為，瀝青入口速度設(shè)定為利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)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(chǎng)分布，如圖所示第期 王安麟，等：瀝青發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià) 發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)分布由可見(jiàn)，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(chǎn)生爆炸性泡沫，即生成泡沫瀝青解析結(jié)果符合瀝青發(fā)泡機(jī)理

7、0;     不同結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與流場(chǎng)解析的對(duì)比分析瀝青發(fā)泡過(guò)程中，瀝青發(fā)泡參數(shù)（加水量、溫度等）一定時(shí)，發(fā)泡腔的不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)瀝青發(fā)泡效果有著至關(guān)重要的影響為了驗(yàn)證上述動(dòng)力學(xué)模型的有效性并制定瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)機(jī)制，本文通過(guò)改變發(fā)泡腔的結(jié)構(gòu)尺寸，不改變其他條件，設(shè)計(jì)制造了個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔，并以膨脹率和半衰期作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn)個(gè)發(fā)泡腔的膨脹率和半衰期均呈遞減趨勢(shì)，而根據(jù)其多相流場(chǎng)數(shù)值解析得到的瀝青、水、空氣各相體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差也均呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明發(fā)泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)和多相流場(chǎng)數(shù)值解析存在確定的相關(guān)性因此，在不完全清楚瀝青發(fā)泡機(jī)理和無(wú)法完全建立瀝青

8、發(fā)泡過(guò)程模型的情況下，本文所建立的動(dòng)力學(xué)模型在某種程度上能真實(shí)地反映不同結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔的瀝青發(fā)泡過(guò)程，在一定程度上表明該動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于求解不同結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔瀝青發(fā)泡過(guò)程是有效的      瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)機(jī)制盡管瀝青發(fā)泡在許多工程施工中得到應(yīng)用，但是其發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還無(wú)明確的評(píng)價(jià)機(jī)制為滿足未來(lái)瀝青發(fā)泡裝置快速化設(shè)計(jì)的需求，本文提出瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)機(jī)制，在未做實(shí)際發(fā)泡腔試驗(yàn)的前提下，依然可以用該評(píng)價(jià)機(jī)制來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)機(jī)制建立在發(fā)泡腔多相流場(chǎng)解析結(jié)果的基礎(chǔ)上為排除影響結(jié)果的極值點(diǎn)，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?jǐn)?shù)大于的點(diǎn)，由這些點(diǎn)組成的區(qū)域稱為瀝青發(fā)泡敏感區(qū)域分別計(jì)算該區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的水占瀝青體積的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差、溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差、水蒸氣占水的比例，將計(jì)算得到的這個(gè)變量與發(fā)泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，以確定不同發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)良性將上述個(gè)變量作為瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此來(lái)評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與個(gè)發(fā)泡腔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)水占瀝青體積的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差、溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，水蒸氣表水占瀝青體積、溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差及水蒸氣占水的比例占水的比例呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，而發(fā)泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)中膨脹率和半衰期也呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，從而在一定程度上表明用水占瀝青體積的平均值

10、和標(biāo)準(zhǔn)差、溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差、水蒸氣占水的比例這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的進(jìn)一步結(jié)合瀝青發(fā)泡機(jī)理，得到發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)機(jī)制為：發(fā)泡腔發(fā)泡敏感區(qū)域內(nèi)水占瀝青體積的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差越大，溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差越大，水蒸氣占水比例越小，該發(fā)泡腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越好該評(píng)價(jià)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)未來(lái)瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)的快速化設(shè)計(jì)，推進(jìn)泡沫瀝青的工程化應(yīng)用該對(duì)比評(píng)價(jià)機(jī)制不僅可以評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且還在一定程度上揭示了瀝青發(fā)泡機(jī)理通過(guò)對(duì)比評(píng)價(jià)機(jī)制，得到的結(jié)論是水占瀝青體積的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差越大，溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差越大，水蒸氣占水比例越小，該發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越好從瀝青發(fā)泡機(jī)理微觀角度來(lái)解釋上述結(jié)論即是：發(fā)泡

11、腔內(nèi)瀝青與水的混合均勻度越差，溫度波動(dòng)越大，水蒸氣越少，瀝青發(fā)泡效果越好顯然，這一結(jié)論與傳統(tǒng)的瀝青發(fā)泡時(shí)瀝青與水混合越均勻越好的觀點(diǎn)相違背由此說(shuō)明，瀝青發(fā)泡是復(fù)雜的強(qiáng)非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，傳統(tǒng)的線性力學(xué)觀點(diǎn)難以準(zhǔn)確描述瀝青發(fā)泡動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而本文所建立的瀝青發(fā)泡腔多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià)機(jī)制在一定程度上揭示了瀝青發(fā)泡機(jī)理，對(duì)瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和瀝青發(fā)泡機(jī)理的深入探討提供了新的思路      總結(jié)（）瀝青發(fā)泡是極其復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程在深入分析瀝青發(fā)泡機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了瀝青發(fā)泡的動(dòng)力學(xué)模型；運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件解析瀝青發(fā)泡腔內(nèi)的多相流場(chǎng)分布，通過(guò)與發(fā)泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)第期 王安麟，等：瀝青發(fā)泡腔內(nèi)多相流場(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià) 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(chǎng)解析與試驗(yàn)的對(duì)比評(píng)價(jià)方法，并建立瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較后得出的評(píng)價(jià)機(jī)制為