CN106649969B - 一种沥青发泡腔结构及泡沫沥青膨胀率的测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于筑路机械的沥青发泡腔结构，以及在CFD软件中衡量泡沫沥青膨胀率的一种测算方法，适用于泡沫沥青施工技术领域。为高效率和高质量地制备泡沫沥青，运用数值计算方法基于CFD软件分析发泡腔内部流场，结合响应面优化法对沥青发泡腔的关键参数展开研究，明确了发泡腔关键参数的取值范围，并指出在CFD软件中衡量泡沫沥青膨胀率的测算方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于筑路机械的沥青发泡腔结构，以及在CFD软件中衡量泡沫沥青膨胀率的一种测算方法，适用于泡沫沥青施工技术领域。
背景技术
在国家环保和节约资源并重的前提下，泡沫沥青再生技术以“节能环保，成本低廉”的绝对优势成为大规模道路修复的主要工艺。它不但能够有效利用沥青路面回收料，减少对石油资源的开采，保持水土，且施工受季节和气候的影响小，不必中断交通。而且泡沫沥青作为粘结剂铺筑路面不仅能够节约沥青用量，还能够大大地增强裹覆性能。泡沫沥青施工工艺可以节约沥青用量、减少拌合时间、提高生产效率。
工程上，希望制备膨胀率大、半衰期长的泡沫沥青。泡沫沥青的性能取决于制备工艺和制备装置，国内外很多学者对沥青发泡过程控制因素(沥青型号、沥青温度、发泡用水量等)进行了研究，但是对发泡腔结构参数的分析较少。另外，当前主要借助CFD软件分析沥青发泡行为，泡沫沥青是处于亚稳定状态下的产物，原始沥青发泡后体积迅速膨胀，泡沫沥青膨胀率的测算在CFD软件中尚无明确的方法。从筑路机械开发研制的角度，借助CFD软件分析沥青发泡装置中关键部件结构参数对沥青发泡行为的影响，给出在CFD软件中泡沫沥青膨胀率的测算方法，为研究沥青发泡技术提供分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种泡沫沥青膨胀率的测算方法，并指明沥青发泡腔结构参数的设计要点。
所述方法通过以下技术方案实现：
所述在CFD软件中测算泡沫沥青膨胀率的方法，技术方案实现步骤包括：前处理、仿真分析、后处理。所述前处理包括发泡腔和泡沫沥青出口计算域的参数化建模，以及对其物理模型的网格划分；所述仿真分析包括求解器设置、边界条件设置、沥青发泡参数设置、沥青发泡行为的控制模型、以及迭代计算；所述后处理包括云图的显示、数据的获取和处理、泡沫沥青膨胀率的测算。
所述发泡腔和泡沫沥青出口计算域的参数化建模，运用三维软件Pro/E(或者UG/Solidworks等)来实现。参数化建模是将参与优化的数据(设计变量)定义为模型参数，为优化软件修正模型提供可能，通过响应面优化法得到最优结构参数，通过对设计变量的修改，驱动三维模型的更改，从而达到优化结构的目的。
所述物理模型的网格划分，是通过将上述参数化建模后的step文件导入Gambit(或者Hypermesh、ICEM-CFD等)软件进行，对流体区域划分网格后得到.mesh文件，通过网格最大扭曲度(或网格单元纵横比)来评价网格质量，当采用最大扭曲度评价时，最大扭曲度小于1即为网格质量满足求解要求；当采用网格单元纵横比评价时，纵横比小于5，即网格质量满足求解要求。
所述求解器设置，包括在CFD软件中建立压力基求解器和非稳态的隐性求解器，耦合场内存在热量的传递与交换，因此考虑能量方程，采用全隐式求解。
所述边界条件设置，包括定义热沥青喷口、发泡水喷口、压缩空气入口为“Velocity-inlet”，依据沥青发泡条件，以及优化前模型的初始结构参数，计算出各入口流体的速度、湍流强度和水力直径；对称面边界设置为“Symmetry”，计算域出口设置为自由出口“Outflow”，发泡腔体及各喷口壁面边界设置为“Wall”。
沥青发泡参数设置，包含热沥青温度设置、热沥青流量设置、油水质量比、空气压力等物理参数设置。
所述沥青发泡行为的控制模型设置如下：沥青发泡属于多相流混合，在CFD软件中采用控制模型对腔体内部流场进行数值模拟分析，多相流模型中各耦合相速度不同，需考虑滑移速度的影响。采用混合模型的连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程、标准k-ε模型方程、代数滑移公式和第二相的体积分数方程对模型进行求解计算。
所述泡沫沥青膨胀率的测算，在泡沫沥青出口处设置计算域，引入对称边界对沥青发泡行为进行数值模拟，测算泡沫沥青出口一定距离截面处的泡沫沥青体积流量，计算其与沥青入口处的体积流量的比值，将最大比值作为泡沫沥青的膨胀率。
所述沥青发泡腔的设计要点，是在上述的方法基础上，结合响应面优化分析法，对沥青发泡腔的主要参数进行研究后获得。所述的响应面优化分析法实现步骤包括：确定设计变量与优化目标、设计试验方案和样本点、基于CFD软件对样本点进行模拟求解、分析样本点对膨胀率的影响规律。通过响应面优化分析法研究沥青发泡腔结构参数的具体实施步骤如下：
所述设计变量包括发泡腔的结构型式和容积，以及热沥青喷口、发泡水喷口、压缩空气入口、泡沫沥青出口的尺寸、位置和角度。优化目标为获得满足工程应用的泡沫沥青膨胀率。
所述试验方案和样本点是利用Design-Expert软件设计试验方案并输出样本点，以初始设计参数值为设计变量值的初始点，设计三个因素三种水平的试验点，A、B和C分别表示发泡腔腔体容积、热沥青喷口尺寸和泡沫沥青出口尺寸的变量值。初选各自变量试验范围，自变量的低、中、高三水平分别用-1、0、+1表示。运用DesignExpert8.0软件的BoxBehnken试验设计方法生成17组试验点，并对自变量进行编码。
所述基于CFD软件对样本点进行模拟求解，是通过在CFD软件中测算泡沫沥青膨胀率方法所描述的技术方案来实现。
所述分析样本点对膨胀率的影响规律通过DesignExpert8.0软件中的ANOVA方差分析功能对A、B、C三个因素和响应值Y进行多元回归分析，由方差分析可知，各设计变量对沥青发泡膨胀率的影响显著性。通过F检验来判定回归方程中各设计变量对响应值影响的显著性水平，由F检验的P值分析可知，各设计变量对膨胀率的影响显著性水平。运用DesignExpert8.0软件Optimization中Numerical功能求解模型的优化值。
所述沥青发泡腔的设计要点在于：发泡水喷口位置靠近沥青喷口，发泡水喷口中心线与沥青喷口中心线的投影角度呈锐角或直角；泡沫沥青出口中心线与发泡腔中心线的投影角度呈锐角。所述发泡腔的结构尺寸参数如下：腔体容积为50-100ml，热沥青喷口尺寸为2.5-3.0mm，泡沫沥青出口尺寸为5-10mm。
有益效果：
基于所述泡沫沥青膨胀率的测算方法，以及沥青发泡腔结构参数设计要点的研究，将优化后的沥青发泡腔结构参数，运用CFD软件对其进行数值模拟，可以获得高膨胀率的泡沫沥青，表明所述泡沫沥青膨胀率的测算方法有效，沥青发泡腔结构的优化参数有效。该方法有助于沥青发泡装置中关键部件的结构设计。
附图说明
图1是本发明所述常见几种沥青发泡腔几何模型I；
图2是本发明所述常见几种沥青发泡腔几何模型II；
图3是本发明所述常见几种沥青发泡腔几何模型III；
图4是本发明所述常见几种沥青发泡腔几何模型IV；
图5是本发明所述沥青发泡腔结构；
图6是本发明所述泡沫沥青膨胀率的测算流程图。
图中：1、发泡腔体，2、发泡水喷口，3、热沥青喷口，4、压缩空气入口，5、泡沫沥青出口。
具体实施方式
一种沥青发泡腔结构及泡沫沥青膨胀率的测算方法，其主要步骤包括：沥青发泡腔的结构设计与建模，对模型进行网格划分与边界条件的设置，发泡腔内部流场的数值计算，泡沫沥青膨胀率的理论测算，通过Design-Erpert进行回归分析与显著性分析，确定沥青发泡腔结构参数的设计要点，分析主要结构参数对沥青发泡行为的影响规律，采用响应面优化方法对发泡腔的主要结构参数进行优化。具体实施过程如下：
对沥青发泡腔的结构进行初步设计，利用三维软件Pro/E(或者UG/Solid works等)对所述的沥青发泡腔进行三维建模，所述发泡腔由发泡腔体1、发泡水喷口2、热沥青喷口3、压缩空气入口4、泡沫沥青出口5构成；为实现在CFD软件中测算泡沫沥青的膨胀率，在泡沫沥青出口处设计圆柱形计算域，将发泡腔的参数化模型step文件导入Gambit(或者Hypermesh、ICEM-CFD等)软件，并针对发泡腔内部流场和所述圆柱形计算域进行网格划分，得到.mesh文件，因为模型具有对称性，数值解具有镜像对称特征，为减少计算量，并保证网格质量，沿对称面保留一半的模型，引入对称边界对沥青发泡行为进行数值模拟。由沥青发泡腔的几何模型可知，发泡腔的各个组成部分体积相差较大，为获得高质量的网格，将计算域按照体积和重要程度分割成六个部分，利用Gambit软件对每个部分进行网格的划分。综合考虑数值精度和时间消耗来设置网格数量，网格最大扭曲度(Equiangleskew)应小于1，网格单元的纵横比(Aspectratio)应小于5，在网格质量满足求解要求之后，将.mesh文件导入CFD软件，然后运用CFD软件对所述沥青发泡腔内部流场进行数值计算。
利用CFD软件建立压力基求解法和非稳态的隐性求解器，沥青发泡是热沥青、水和空气在特定容器中的一个复杂多相流耦合过程，发泡腔内部流场具有强模糊性和强耦合性。采用Mixture模型(该模型是根据沥青发泡行为特点进行选择，不排除选择其他模型，后述模型均适用此观点)对发泡腔体内部流场进行数值模拟，满足质量守恒、动量守恒和能量守恒；在Mixture模型中各相耦合且速度不同，需考虑滑移速度的影响。采用Mixture模型的连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程、标准k-ε模型方程、代数滑移公式和第二相的体积分数方程对模型进行求解计算。沥青发泡过程中，室温的发泡水，在与热沥青直接接触传热后，其温度可达100℃，继而汽化，形成大量的水蒸气，因此，以UDF编译发泡水相变过程；将主相设定为沥青，第二相设定空气、水蒸气和水；从物性数据库中调出水、水蒸气和空气的数据，经计算气体流动的马赫数小于0.3，故认为沥青发泡过程的空气是不可压缩的。
根据沥青发泡条件设置沥青温度、沥青质量流量、油水比、空气压力等参数。
设置边界条件如下：定义热沥青喷口、发泡水喷口、压缩空气入口为Velocityinlet，依据沥青发泡条件，以及模型的结构参数，可以计算出各入口流体的速度、湍流强度和水力直径，对称面边界设置为Symmetry，计算域出口设置为自由出口Outflow，发泡腔体及各喷口壁面边界设置为Wall。耦合场内存在热量的传递与交换，因此考虑能量方程。采用全隐式求解和SIMPLEC算法，对计算域初始化，设置残差监视器收敛标准，除能量方程的余项小于10-6外，其余各项均小于10-3。设置时间步长为0.01s，步长为1500进行迭代计算(这些数值根据具体问题设置，不限于本实施例所列数值)。
对所述沥青发泡行为进行数值计算，测量发泡腔出口一定距离截面上的泡沫沥青的体积流量，将其与沥青喷口体积流量求比值，由此分析由沥青转变为泡沫沥青过程中的体积变化，泡沫沥青出口处一定距离的体积流量和热沥青喷口体积流量的比值，也就是泡沫沥青体积变化最大值，即为泡沫沥青的膨胀率。
利用响应面法中的Box-Behnkebn方法选取试验点，可提高试验设计的效率，同时，保证计算结果的可靠性，具有实验次数少、拟合精度高和预测结果可靠性高等优点，还可以找到各因素之间最佳组合和交互作用。采用Box-Behnken试验设计方法，以获得最大膨胀率为试验目标，确定腔体容积、热沥青喷口和泡沫沥青出口为优化三要素，以初始设计的设计变量值为初始点，分析主效应和交互效应对泡沫沥青膨胀率的影响规律。设计三个因素三种水平的试验方案，A、B和C分别表示腔体容积、热沥青喷口尺寸和泡沫沥青出口尺寸的变量值。各自变量初选试验范围，自变量的低、中、高三水平分别用-1、0、+1表示，对自变量进行编码。运用DesignExpert8.0软件的Box-Behnken试验设计方法生成17组(组数与设计变量有关)试验点。编号1～12是析因试验，13～17是中心试验。其中1～12组试验点为析因点；13～17组试验点为零点，表示对零点进行5次重复性试验，用来估计试验的误差，最后将每组数据在CFD中进行仿真模拟试验，得到每组试验参数下的泡沫沥青膨胀率的数值。
通过DesignExpert8.0软件中的ANOVA方差分析功能对A、B和C三个因素和响应值进行多元回归分析，可以得到方差分析。通过F检验来判定回归方程中各设计变量对响应值影响的显著性水平。运用DesignExpert8.0软件Optimization中Numerical功能求解模型的优化值。
本实施例得到沥青发泡腔的优化结构参数为：腔体容积为50-100ml，热沥青喷口尺寸为2.5-3.0mm，泡沫沥青出口尺寸为5-10mm。
Claims (3)
1.一种沥青发泡腔结构参数的响应面优化分析方法，其特征在于包括以下步骤：
(a) 确定设计变量与优化目标；所述设计变量包括发泡腔的结构型式和容积，以及热沥青喷口、发泡水喷口、压缩空气入口、泡沫沥青出口的尺寸、位置和角度；
(b) 设计试验方案和样本点；所述试验方案和样本点是利用Design Expert软件设计试验方案并输出样本点，以初始设计参数值为设计变量值的初始点，设计三个因素三种水平的试验点；A、B和C分别表示发泡腔腔体容积、热沥青喷口尺寸和泡沫沥青出口尺寸的变量值，初选各自变量试验范围，自变量的低、中、高三水平分别用-1、0、+1表示，并对自变量进行编码；运用Design Expert 8.0 软件的Box-Behnken试验设计方法生成17组试验点，其中1～12组试验点为析因点，13～17组试验点为零点，表示对零点进行5次重复性试验，用来估计试验的误差；
(c) 基于CFD软件对样本点进行模拟求解；所述基于CFD软件对样本点进行模拟求解，是将步骤(b)中得到的每组试验点数据在CFD中进行仿真模拟试验，进而得到每组试验点的泡沫沥青膨胀率的数值；
(d) 分析样本点对膨胀率的影响规律；通过Design Expert 8.0软件中的ANOVA方差分析功能对A、B、C三个因素和响应值Y进行多元回归分析，由方差分析可知，各设计变量对沥青发泡膨胀率的影响显著性；通过F检验来判定回归方程中各设计变量对响应值影响的显著性水平，由F检验的P值分析可知，各设计变量对膨胀率的影响显著性水平；运用 DesignExpert 8.0软件Optimization中Numerical功能求解模型的优化值。
2.一种由权利要求1所述方法得到的结构优化的沥青发泡腔，包括发泡腔体、热沥青喷口、发泡水喷口、压缩空气入口、泡沫沥青出口，其特征在于：发泡水喷口位置靠近沥青喷口，发泡水喷口中心线与沥青喷口中心线的投影角度呈锐角；泡沫沥青出口中心线与发泡腔体中心线的投影角度呈锐角。
3.如权利要求2所述的沥青发泡腔，其特征在于：发泡腔体容积为50-100ml，热沥青喷口尺寸为2.5-3.0mm，泡沫沥青出口尺寸为5-10mm。
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| CN106649969A (zh) | 2017-05-10 |
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