沥青发泡腔内多相流场解析与试验的对比评价

    摘要：为制定沥青发泡腔结构设计的评价机制，提出了基于沥青发泡腔内多相流场解析与试验的对比评价方法，即建立沥青发泡过程动力学模型，以解析不同发泡腔结构下的多相流场分布。通过解析结果与试验数据的对比，验证了上述模型的有效性；进而建立发泡腔结构设计的评价指标，与试验数据进行对比分析后，得到了沥青发泡腔结构设计的评价机制，且在一定程度上揭示了沥青发泡机理，即发泡腔内沥青与水的混合均匀度越差、温度波动越大、水蒸气越少，则沥青发泡效果越好，发泡腔结构设计越合理。
   
    关键词：沥青发泡腔；结构设计；多相流场；对比评价
   
    沥青发泡技术以其巨大的经济效益和环保价值，在道路施工中得到越来越广泛的应用。因而，国内外学者对沥青发泡机理、泡沫沥青特性评价指标做了大量研究，通过试验测试研究了影响沥青发泡质量的因素和最佳发泡条件，并提出了沥青发泡质量控制方程及其参数化模型。
   
    以上研究的共同点是：均研究了沥青发泡条件对沥青发泡效果的影响，但并未研究沥青发泡过程中发泡腔内多相流场与沥青发泡效果的关系，且未提出沥青发泡腔结构设计的评价机制。
   
    为此，本文建立了沥青发泡过程的动力学模型，通过多相流场解析与试验数据对比，验证模型的有效性，在此模型的基础上提出沥青发泡腔结构设计的评价指标，得到沥青发泡腔结构设计的评价机制，且在一定程度上说明沥青发泡的机理。
   
    沥青发泡过程动力学模型沥青发泡是具有相变和热交换的复杂的强非线性动力学过程。沥青被加热至160℃以上，以一定压力喷入发泡腔，此时处于环境温度下的水和压缩空气从另一个喷口以一定压力喷入发泡腔，三者在发泡腔中接触，水分迅速蒸发，从而使沥青产生爆炸泡沫，体积膨胀至原来的10至20倍，这时沥青黏度急剧下降，与混合料具有较好的裹覆性。
   
    沥青发泡过程如图1所示，发泡腔通常是圆柱体，上部开口为沥青喷口，左右两侧为水和空气喷口，泡沫沥青从发泡腔底部喷出。该过程在发泡腔内的流动是三维流动问题，但按三维流动问题来分析多相流非常困难。为了简化模型，本文用二维数值模拟来反映发泡腔内的流场情况。
   
    采用计算流体力学软件CFD对沥青发泡过程中发泡腔内多相流场进行二维数值模拟，选择volumeoffluid（VOF）模型，因为VOF模型适用于相变及热交换的多相流场，而沥青发泡是具有复杂相变和热交换的多相流过程。
   
    根据VOF模型进行参数设置，把空气相作为可压缩相，采用默认值；沥青密度设为1092kg/m3,温度设为160℃，热传导系数设为0.628W/（m·K），沥青的动力黏度通过插值设定，插值点如表1所示；水温设为20℃，密度为1000kg/m3,热传导系数设为0.6W/（m·K），动力黏度设为0.001003Pa·s.
   
    选用带旋流修正的k-ε湍流模型，利用PISO算法对控制方程进行离散化处理，通过对连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程的连续迭代求解，可以得到发泡腔内多相流场的数值解析结果，为更精确地描述沥青发泡过程提供理论基础。
   
    沥青发泡腔多相流场解析通用标准结构发泡腔流场的数值解析在上述动力学模型的基础上，以通用标准结构发泡腔为研究对象，根据试验实际情况，空气入口压力设定为0.3MPa,水入口速度设定为6.64m/s,沥青入口速度设定为22.748m/s.利用计算流体力学软件对动力学模型进行数值解析，得到发泡腔中沥青、水、水蒸气、空气的多相流场分布，如图2所示。
   
    由图2可见，压缩空气将高温沥青压向水入口处，让高温沥青和水充分接触；高温沥青使水充分蒸发，从而使沥青急速膨胀，产生爆炸性泡沫，即生成泡沫沥青。解析结果符合沥青发泡机理。
   
    不同结构发泡腔的试验数据与流场解析的对比分析沥青发泡过程中，沥青发泡参数（加水量、温度等）一定时，发泡腔的不同结构尺寸对沥青发泡效果有着至关重要的影响。
   
    为了验证上述动力学模型的有效性并制定沥青发泡腔结构设计评价机制，本文通过改变发泡腔的结构尺寸，不改变其他条件，设计制造了3个结构发泡腔，并以膨胀率和半衰期作为评价指标进行沥青发泡试验。
   
    试验结果如图3所示。对这3个结构发泡腔建立动力学模型，并利用计算流体力学软件对发泡腔内多相流场进行解析，得到多相流场的分布情况。
   
    在发泡腔内选取足够多的点，得到各个点沥青、水、空气的体积分数，再计算3个发泡腔内沥青、水、空气各相体积分数的标准差，并进行比较，如表2所示。
   
    由图3及表2可见，3个发泡腔的膨胀率和半衰期均呈递减趋势，而根据其多相流场数值解析得到的沥青、水、空气各相体积分数的标准差也均呈递减趋势，说明发泡试验数据和多相流场数值解析存在确定的相关性。
   
    因此，在不完全清楚沥青发泡机理和无法完全建立沥青发泡过程模型的情况下，本文所建立的动力学模型在某种程度上能真实地反映不同结构发泡腔的沥青发泡过程，在一定程度上表明该动力学模型对于求解不同结构发泡腔沥青发泡过程是有效的。
   
    沥青发泡腔结构设计的评价机制尽管沥青发泡在许多工程施工中得到应用，但是其发泡腔结构设计还无明确的评价机制。为满足未来沥青发泡装置快速化设计的需求，本文提出沥青发泡腔结构设计评价机制，在未做实际发泡腔试验的前提下，依然可以用该评价机制来评价发泡腔结构设计的好坏。沥青发泡腔结构设计评价机制建立在发泡腔多相流场解析结果的基础上。为排除影响结果的极值点，从发泡腔中选取满足沥青体积分数大于5%且水体积分数大于5%的点，由这些点组成的区域称为沥青发泡敏感区域。
   
    分别计算该区域内各个点的水占沥青体积的平均值和标准差、温度的平均值和标准差、水蒸气占水的比例，将计算得到的这3个变量与发泡试验数据进行对比评价，以确定不同发泡腔结构设计的优良性。
   
    将上述3个变量作为沥青发泡腔结构设计的评价指标，以此来评价沥青发泡腔结构设计。计算结果见表3.
   
    将表3的计算结果与3个发泡腔的试验数据进行对比分析，可以发现水占沥青体积的平均值和标准差、温度的平均值和标准差呈现递减趋势，水蒸气表3水占沥青体积、温度的平均值和标准差及水蒸气占水的比例占水的比例呈现递增趋势，而发泡试验数据中膨胀率和半衰期也呈现递减趋势，从而在一定程度上表明用水占沥青体积的平均值和标准差、温度的平均值和标准差、水蒸气占水的比例这3个评价指标来评价发泡腔结构设计是合理的。
   
    进一步结合沥青发泡机理，得到发泡腔结构设计的评价机制为：发泡腔发泡敏感区域内水占沥青体积的平均值和标准差越大，温度的平均值和标准差越大，水蒸气占水比例越小，该发泡腔的结构设计越好。该评价机制可以实现未来沥青发泡腔结构的快速化设计，推进泡沫沥青的工程化应用。该对比评价机制不仅可以评价沥青发泡腔的结构设计，而且还在一定程度上揭示了沥青发泡机理。
   
    通过对比评价机制，得到的结论是水占沥青体积的平均值和标准差越大，温度的平均值和标准差越大，水蒸气占水比例越小，该发泡腔结构设计越好。从沥青发泡机理微观角度来解释上述结论即是：发泡腔内沥青与水的混合均匀度越差，温度波动越大，水蒸气越少，沥青发泡效果越好。显然，这一结论与传统的沥青发泡时沥青与水混合越均匀越好的观点相违背。
   
    由此说明，沥青发泡是复杂的强非线性动力学过程，传统的线性力学观点难以准确描述沥青发泡动力学过程，而本文所建立的沥青发泡腔多相流场解析与试验的对比评价机制在一定程度上揭示了沥青发泡机理，对沥青发泡腔结构设计和沥青发泡机理的深入探讨提供了新的思路。
   
    总结
   
    （1）沥青发泡是极其复杂的非线性动力学过程。在深入分析沥青发泡机理的基础上，建立了沥青发泡的动力学模型；运用计算流体力学软件解析沥青发泡腔内的多相流场分布，通过与发泡试验数据对第4期王安麟，等：沥青发泡腔内多相流场解析与试验的对比评价625比后发现，该模型合理。
   
    （2）提出了基于沥青发泡腔多相流场解析与试验的对比评价方法，并建立沥青发泡腔结构设计的评价指标。与发泡试验结果进行比较后得出的评价机制为：发泡腔发泡敏感区域内水占沥青体积的平均值和标准差越大、温度的平均值和标准差越大、水蒸气占水比例越小，则发泡腔结构设计越好。同时在一定程度上揭示了沥青发泡机理，即发泡腔内沥青与水的混合均匀度越差、温度波动越大、水蒸气越少，则沥青发泡效果越好。上述结论对沥青发泡腔结构设计和沥青发泡机理的深入研究具有重要意义。