泡沫瀝青灑布車瀝青噴嘴噴灑工藝參數仿真研究?

張 斐姚 陽

（1.陜西警官職業學院警察技術系 西安 710021）（2.長安大學工程機械學院 西安 710064）

泡沫瀝青灑布車瀝青噴嘴噴灑工藝參數仿真研究?

張 斐1姚 陽2

（1.陜西警官職業學院警察技術系 西安 710021）（2.長安大學工程機械學院 西安 710064）

論文利用FLUENT軟件建立仿真模型對泡沫瀝青灑布車噴嘴噴灑工藝進行仿真研究，首先預設泡沫瀝青膨脹率的目標值確定了泡沫瀝青溫度和用水量等參數，并建立泡沫瀝青灑布車在不同噴灑壓力下的三種瀝青噴嘴的三維模型，確定泡沫瀝青噴灑效果最好的噴灑壓力、瀝青噴嘴結構等工藝參數，最后求出泡沫瀝青灑布車噴嘴數目和噴嘴離地間距。

瀝青噴嘴；噴灑工藝；仿真研究

1 引言

瀝青灑布車是一種瀝青路面養護機械，它將高溫液態瀝青自動噴灑到路面進行筑養路工作，由于瀝青發泡技術比較成熟，瀝青灑布車的灑布材料逐漸由改性瀝青和乳化瀝青向泡沫瀝青方向發展。瀝青噴嘴是瀝青灑布車作業裝置關鍵的組成部分，其性能的優劣直接影響瀝青灑布車的工作性能。而瀝青噴嘴的工藝參數是確定灑布管高度、噴嘴間距和噴灑壓力的重要依據。因此研究泡沫瀝青灑布車瀝青噴嘴工藝參數具有重要意義。

為此，很多學者對瀝青噴嘴技術進行了很多研究。文獻［1］中對瀝青噴嘴的結構參數進行了流場分析和優化；文獻［2］中利用CFD軟件對幾種型號的瀝青噴嘴進行了數值模擬研究及優化設計；文獻［3］中以收縮性噴嘴為研究對象，利用ANSYS FLUENT軟件進行流場分析，得到瀝青噴嘴的噴灑速度、壓力和湍流動能的分布規律；文獻［4］中建立了不同直徑瀝青噴嘴的三維模型，利用ANSYS FLUENT軟件進行仿真；文獻［5］中利用ANSYS FLUENT軟件，進行了單孔圓形噴嘴射流冷卻帶鋼的數值模擬研究；文獻［6］中利用CFD方法分析了瀝青從噴嘴噴灑到空氣中的速度場和壓力場的分布規律。以上研究的瀝青噴嘴多用于噴灑改性瀝青或乳化瀝青，而對噴灑的泡沫瀝青噴嘴研究甚少，并且對泡沫瀝青噴嘴的工藝參數也未提及。

基于此，本文利用流體力學軟件FLUENT確定泡沫瀝青溫度和用水量等參數，并建立泡沫瀝青灑布車三種瀝青噴嘴的三維模型，對單噴嘴噴灑過程進行FLUENT流場仿真，確定泡沫瀝青噴灑的噴灑壓力、瀝青噴嘴結構等工藝參數。

2 瀝青發泡腔模型的建立

利用solidworks軟件建立如圖的瀝青發泡腔模型。將模型導入SNSYS中進行網格劃分，如圖3所示，共劃分了149783個節點和516974個單元，最大網格單元片斜率為0.89，網格質量理想。

圖1 瀝青發泡腔模型

圖2 瀝青發泡腔的網格

3 瀝青發泡過程膨脹率的計算

瀝青發泡過程仿真模型是以瀝青發泡腔出口處管道橫截面的體積流量與瀝青入口處體積流量的比值作為膨脹率，以比值最大值到減小為最大值的一半的時間作為半衰期。

瀝青材料的參數如表1所示。瀝青的粘度隨著溫度的變化而改變，瀝青的粘度隨溫度的改變是分段線性變化的，瀝青粘溫特性曲線如圖3所示，當溫度低于393.15K（120℃）時，瀝青粘度隨著溫度的降低急劇增大。

表1 瀝青材料參數

瀝青溫度160℃，含水量2%的泡沫瀝青沿瀝青噴出距離的各截面膨脹率的變化趨勢如圖4所示，泡沫瀝青的最大膨脹率為9.4751；瀝青溫度為130℃，含水量2%的泡沫瀝青沿瀝青噴出距離的各截面膨脹率的變化趨勢如圖5所示，泡沫瀝青的最大膨脹率為6.577。如圖3，當瀝青溫度低于120℃時，瀝青的粘度急劇增加，流動性變差，因此，為滿足泡沫瀝青的膨脹率大于6且發泡條件最經濟的要求，則瀝青溫度控制在130℃左右比較合適。設定瀝青溫度為130℃，含水量分別為1.5%，2%，2.5%，3%，得到如表2所示膨脹率。

圖3 瀝青黏溫特性曲線

圖4 瀝青溫度160℃，含水量2%時瀝青噴出距離與膨脹率的關系

圖5 溫度為130℃，含水量2%的瀝青噴出距離與膨脹率的關系

表2 不同用水量條件下的膨脹率

在目前的瀝青發泡技術中，發泡用水量一般取1%～3%，為滿足泡沫瀝青的膨脹率大于6，用水量應取2%～3%。

4 瀝青噴嘴噴灑工藝參數計算

瀝青噴嘴噴灑的工藝參數主要包括瀝青噴嘴間距、噴灑壓力和噴嘴離地高度等。目前瀝青灑布車常用的噴嘴間距為 100mm～150mm［7］，常用噴灑壓力為0.033MPa～0.8MPa，常用噴嘴離地高度為250mm～300mm。本文利用FLUENT軟件對泡沫瀝青灑布車的噴灑過程進行仿真，選擇出合適的瀝青噴嘴噴灑的工藝參數。以噴嘴噴灑扇面速度和出口橫截面密度的均勻性來定性評價泡沫瀝青噴灑效果。

4.1 瀝青噴嘴開口型式選擇

根據目前各生產廠家的瀝青噴嘴，選用V形單槽平頭、直線形單槽平頭和V形單槽球頭三種結構型式［8］，并在solidworks中分別建立了三種結構的三維模型，并導入ANSYS中進行網格劃分，結果如圖6所示。

圖6 三種噴嘴結構的網格劃分

4.2 瀝青噴嘴結構參數選擇

本文中瀝青噴嘴間距選擇100mm、125mm和150mm三種尺寸作為仿真參數［9］，噴灑距離與單噴嘴噴灑流量、噴灑角的關系如表3所示，常用噴灑角在括號內給出。

表3 噴嘴間距和單噴嘴噴灑流量、噴灑角的對應關系

4.3 不同噴灑壓力時噴灑狀態仿真

當噴嘴間距為100mm時，計算在噴灑壓力為0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa時瀝青噴嘴的噴灑扇面速度和出口橫截面密度。

1）V型平頭噴嘴

取噴嘴壓力分別為0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa時，其噴灑扇面速度云圖和出口橫截面密度云圖如圖7～9所示。由噴灑扇面速度云圖可知，隨著噴灑壓力的升高，噴灑扇面內速度越來越大且越來越均勻，噴灑扇面之外的速度飛濺逐漸減少。由出口橫截面密度云圖可知，隨著噴灑壓力的升高，噴嘴出口橫截面內的泡沫瀝青密度變化不大且較均勻，滿足噴灑要求，因此，驗證了噴灑壓力在0.033MPa～0.8MPa之間是合理的。

2）V型球頭噴嘴

取噴嘴壓力分別為0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa時，其噴灑扇面速度云圖和出口橫截面密度云圖如圖10～12所示。由噴灑扇面速度云圖可知，隨著噴灑壓力的升高，同樣V型球頭噴嘴噴灑扇面內速度越來越大且越來越均勻，噴灑扇面之外的速度飛濺減少。由出口橫截面密度云圖可知，隨著噴灑壓力的升高，噴嘴出口橫截面內的泡沫瀝青密度變化不大且較均勻，滿足噴灑要求，驗證了噴灑壓力在0.033MPa～0.8MPa之間是合理的。

圖7 0.033MPa時V型平頭噴嘴

圖8 0.4MPa時V型平頭噴嘴

圖9 0.8MPa時V型平頭噴嘴

圖10 0.033MPa時V型球頭噴嘴

圖11 0.4MPa時V型球頭噴嘴

3）直線型平頭噴嘴

取噴嘴壓力分別為0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa時，其噴灑扇面速度云圖和出口橫截面密度云圖如圖13～15所示。由噴灑扇面速度云圖可知隨著噴灑壓力的升高，直線型平頭噴嘴噴灑扇面內速度越來越大且越來越均勻，噴灑扇面上半部分兩側的速度越來越小，下半部分兩側速度不均勻的區域越來越緊縮。由出口橫截面密度云圖可知，隨著噴灑壓力的升高，噴嘴出口橫截面內的泡沫瀝青密度越來越均勻，滿足噴灑要求，驗證了噴灑壓力在0.033MPa～0.8MPa之間是合理的。

圖13 0.033MPa時直線型平頭噴嘴

在相同壓力下，對比不同類型噴嘴的噴灑扇面速度云圖發現，直線型平頭噴嘴的速度均勻性最好。對比出口橫截面密度云圖發現，V型平頭噴嘴和V型球頭噴嘴出口橫截面上中心區域密度均勻性較好，但邊緣區域均勻性較差，而直線型平頭噴嘴中心區域和邊緣區域密度均勻性都較好。另外多重疊灑布時，瀝青噴嘴噴灑到地面上形成的形狀為細長的橢圓形，直線型平頭噴嘴出口處橫截面形狀更加符合要求。因此三種瀝青噴嘴中直線型平頭噴嘴噴灑效果最好。

圖14 0.4MPa時直線型平頭噴嘴

圖15 0.8MPa時直線型平頭噴嘴

圖16 噴嘴間距為100mm時直線型平頭噴嘴

4.4 不同噴灑間距時噴灑狀態仿真

當噴灑壓力為0.5MPa時，噴嘴間距為100mm、125mm、150mm、160 mm的噴灑扇面速度云圖和出口橫截面密度云圖如圖16～19所示。從圖16～18所示，對比速度云圖可以看出，隨著噴嘴間距的增大，噴灑扇面內的速度均勻性越來越好，噴灑扇面下半部分兩側速度不均勻的區域越來越緊縮；對比出口橫截面密度云圖可以看出，噴灑出口橫截面內的密度均勻性不斷提高。當改變噴嘴間距為160mm時，如圖19所示，從噴灑扇面速度云圖中可看出噴灑扇面內速度發生了偏移現象，速度分布很不均勻。從出口橫截面密度云圖可看出，泡沫瀝青密度分布向一側偏移，導致一側密度大，一側密度小，總體均勻性較差。

圖17 噴嘴間距為125mm時直線型平頭噴嘴

圖18 噴嘴間距為150mm時直線型平頭噴嘴

圖19 噴嘴間距為160mm時直線型平頭噴嘴計算云圖

因此，隨著噴嘴間距的增大，瀝青噴嘴噴灑扇面內的速度分布和出口橫截面的密度分布呈現先變好再變差的趨勢，當瀝青噴嘴間距為150mm左右時，瀝青噴嘴噴灑均勻性最好。

4.5 瀝青噴嘴工藝參數計算

由前得當瀝青噴嘴間距為150mm時，噴灑效果較好，則取瀝青噴嘴間距為150mm，可得瀝青噴嘴個數m為

式中：B 為灑布寬度，m；L為噴嘴間距，m［10］。

由表4可知，當瀝青噴嘴間距為150mm時，噴灑半角α為40°。當瀝青噴嘴安裝旋轉角 β為20°時，得瀝青噴嘴離地高度H為

5 結語

1）根據泡沫瀝青膨脹率和粘度的關系曲線，預設泡沫瀝青膨脹率的目標值為6，在滿足膨脹率目標值且最經濟的瀝青溫度值為130℃左右，含水量為2%～3%。

2）在不同噴灑壓力下，三種類型瀝青噴嘴的噴灑狀態仿真結果得出噴灑壓力的合理范圍，在相同噴灑壓力下，直線型平頭噴嘴噴灑效果最好；當噴灑壓力為0.5MPa時，仿真結果得出噴嘴間距為150mm時噴灑均勻性最好；并求出泡沫瀝青灑布車噴嘴數目和噴嘴離地間距。

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Simulation Study on the Process Parameters of Asphalt Foaming System of Foam Asphalt Distributor

ZHANG Fei1YAO Yang2
（1.Department of Police Technology，Shaanxi Police College，Xi'an 710021）
（2.School of Construction Machinery，Chang'an University，Xi'an 710064）

Simulation model of foam asphalt spreader nozzle spray process is simulated by using FLUENT，first of all the foam asphalt expansion rate is preset to determine the target values of foamed asphalt and water temperature and other parameters，and the foam asphalt distributor three-dimensional models of three kinds of asphalt spraying nozzle pressure under different spray are established.The process parameters of foam asphalt spraying best effection are determined by pressure，structure of asphalt spray nozzle.Finally，the foam asphalt spreader nozzle number and nozzle distance from the ground is calculated.

asphalt nozzle，spraying process，simulation study

TP319

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.033

Class Number TP319

2017年3月8日，

2017年4月22日

國家自然科學基金項目“基于層次堆聚理論的并聯機器人動力學建模與約束更隨控制方法研究”（編號：51605038）；“深變環境對大深度油壓源動力特征的作用機制及遷移規律研究”（編號：51509006）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（編號：14JK2023）；陜西省自然科學基金項目“旋挖鉆機鉆桿振動機理及振動能量轉遷耗散規律研究”（編號：2017JQ5081）資助。

張斐，男，碩士研究生，講師，研究方向：計算機工程軟件仿真。姚陽，男，研究方向：工程機械。