熱風(fēng)加熱瀝青路面沖擊射流共軛傳熱特性

徐信芯,劉道成,鄭江溢,蔡萬智,顧海榮,張 輝

(1.長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程研究中心,西安 710064; 2.河南省高等級(jí)公路檢測與養(yǎng)護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄉(xiāng) 453003)

就地?zé)嵩偕夹g(shù)能實(shí)現(xiàn)100%回收舊瀝青路面材料,已被廣泛應(yīng)用于瀝青路面再生養(yǎng)護(hù)中[1-2]。熱風(fēng)加熱均勻性好,層間溫度梯度小,路面表層不易焦化,國內(nèi)外75%的就地?zé)嵩偕O(shè)備采用熱風(fēng)加熱[3]。瀝青路面溫度場分布是衡量就地?zé)嵩偕访骛B(yǎng)護(hù)質(zhì)量的重要指標(biāo),因此,構(gòu)建準(zhǔn)確的熱風(fēng)加熱瀝青路面模型,研究不同加熱參數(shù)下路面溫度場分布,對提高瀝青路面熱風(fēng)加熱效果具有重要的意義。

準(zhǔn)確建立瀝青路面?zhèn)鳠崮Ｐ褪翘骄繜醾鬟f機(jī)理的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[4]建立了熱風(fēng)加熱瀝青路面二維瞬態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型,得到了路面溫度理論解。文獻(xiàn)[5]建立了熱風(fēng)加熱瀝青路面的溫度控制方程,得到了路面溫度解析解。文獻(xiàn)[6]建立了多層路面溫度場數(shù)學(xué)模型,研究了路面表層輻射產(chǎn)生的熱量輸出。文獻(xiàn)[7]建立了熱風(fēng)循環(huán)式加熱瀝青路面?zhèn)鳠崮Ｐ?研究了通風(fēng)管參數(shù)對路面內(nèi)部溫度分布的影響。上述研究均建立了瀝青路面內(nèi)部的導(dǎo)熱模型,但對熱風(fēng)加熱路面的對流換熱過程研究甚少,而就地?zé)嵩偕袑α鲹Q熱和導(dǎo)熱是同時(shí)進(jìn)行,因此研究兩者的共軛傳熱才能獲得更準(zhǔn)確的溫度場分布。

現(xiàn)有求解對流換熱模型常用有限差分法[4]和有限元法[8]。有限差分法僅考慮各網(wǎng)格點(diǎn)之間的數(shù)值變化,在計(jì)算中對網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理較為簡單;有限元法引入變分算法,選擇逼近函數(shù)對計(jì)算域積分,但對計(jì)算資源要求高且計(jì)算周期長。有限容積法將求解區(qū)域劃分為許多控制容積域,并引入網(wǎng)格內(nèi)的插值函數(shù),即使采用較粗的網(wǎng)格密度,也能保證離散化后所有控制容積內(nèi)的各計(jì)算節(jié)點(diǎn)均滿足守恒定律。因此,采用有限容積法求解熱風(fēng)沖擊射流對流換熱模型,將進(jìn)一步擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍。

對于提高熱風(fēng)加熱瀝青路面的加熱效果,文獻(xiàn)[9]提出往復(fù)間隙加熱工藝比單向連續(xù)加熱效果好。文獻(xiàn)[10]提出了連續(xù)變功率加熱工藝,可提高路面熱量吸收效率。文獻(xiàn)[11]提出了多步法加熱工藝,避免了路表層焦化現(xiàn)象。文獻(xiàn)[12]提出了恒溫加熱方法,提高了熱再生質(zhì)量和施工效率。文獻(xiàn)[13]提出了熱風(fēng)紅外協(xié)同加熱方法,研究了加熱距離對熱吸收率的影響。文獻(xiàn)[14]研究了加熱機(jī)組不同作業(yè)工序?qū)r青路面再生效率的影響。文獻(xiàn)[15]研究了機(jī)組不同行進(jìn)速度對瀝青路面?zhèn)鳠嵝Ч挠绊憽Ｉ鲜鑫墨I(xiàn)均側(cè)重研究加熱工藝對加熱效果的影響,而加熱參數(shù)與路面加熱效果關(guān)系密切[16]。因此有必要研究熱風(fēng)加熱參數(shù)對加熱效果的影響。

本文基于熱風(fēng)沖擊射流對流換熱和瀝青路面內(nèi)部導(dǎo)熱的共軛傳熱過程,建立熱風(fēng)加熱瀝青路面的沖擊射流共軛傳熱理論模型,采用有限容積法研究不同熱風(fēng)參數(shù)下的路面溫度場分布,討論加熱參數(shù)對路面加熱效果的影響。

1 熱風(fēng)加熱瀝青路面共軛傳熱理論模型

1.1 假設(shè)條件

黏性氣體不可壓縮性判據(jù)[17]為

(1)

式中:v為氣體速度,vp為氣體分子的最可幾速率。vp的計(jì)算為

(2)

式中:k為玻耳茲曼常量,取1.381× 10-23J/K;Tk為氣體熱力學(xué)溫度,m為單個(gè)分子的質(zhì)量。

空氣平均相對分子質(zhì)量為29,得到空氣平均單個(gè)分子質(zhì)量m=4.817×10-26kg,取較大熱風(fēng)流速v=20 m/s,較低熱風(fēng)溫Tk=573.15 K,計(jì)算出熱風(fēng)氣體最可幾速率vp=573.2 m/s,有2v2/vp=0.002 4?1。因此,可認(rèn)為熱風(fēng)具有不可壓縮性,即熱風(fēng)氣流密度不隨壓強(qiáng)變化。基于此,假設(shè)熱風(fēng)射流為穩(wěn)定層流,不考慮熱風(fēng)溫度對熱風(fēng)密度、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的影響,同時(shí)忽略質(zhì)量力的影響。

圖1為熱風(fēng)加熱瀝青路面示意圖,熱風(fēng)從噴嘴噴出后沖擊路面的共軛傳熱過程分為熱風(fēng)沖擊瀝青路面的對流換熱(S1)和熱量從瀝青路面表層沿深度方向的導(dǎo)熱(S2)兩部分,分別建立傳熱理論模型。

圖1 熱風(fēng)加熱瀝青路面示意Fig.1 Schematic diagram of asphalt pavement heated by hot air

1.2 熱風(fēng)沖擊射流對流換熱模型

熱風(fēng)噴嘴為圓形,穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其流場和溫度場分布關(guān)于軸線對稱,因此取過軸線的一個(gè)截面,此截面上流場同時(shí)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程,這樣將三維熱風(fēng)沖擊射流對流換熱過程簡化為二維軸對稱傳熱問題,建立熱風(fēng)沖擊射流對流換熱二維模型為

(3)

式中:x為熱風(fēng)流場橫坐標(biāo),y為熱風(fēng)流場縱坐標(biāo),t為時(shí)間,u為熱風(fēng)流場內(nèi)x方向速度,v為熱風(fēng)流場內(nèi)y方向速度,p為壓強(qiáng),T為溫度,ρ為熱風(fēng)密度,λ為熱風(fēng)導(dǎo)熱系數(shù),ν為熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)黏度,cp為熱風(fēng)比定壓熱容。

1.3 瀝青路面導(dǎo)熱模型

熱量到達(dá)瀝青路面后,以熱傳導(dǎo)的方式沿軸線向?yàn)r青路面深處傳遞,這個(gè)導(dǎo)熱過程僅受溫差和瀝青路面熱物性參數(shù)的影響[18]。建立瀝青路面導(dǎo)熱二維模型為

(4)

2 模型求解

為求解沖擊射流對流換熱模型和導(dǎo)熱模型,需要對式(3)、(4)進(jìn)行離散化處理。由于沖擊射流對流換熱模型中存在速度場和壓力場的耦合,引入基于壓力耦合的半隱式算法(SIMPLE)進(jìn)行解耦[19],得到速度場后再迭代計(jì)算溫度場。

2.1 方程離散化處理

圖2為求解域內(nèi)采用正方形網(wǎng)格劃分后的控制容積圖,陰影部分為某網(wǎng)格點(diǎn)P的控制容積,N、S、W、E點(diǎn)分別為P點(diǎn)的北、南、西、東側(cè)相鄰網(wǎng)格點(diǎn),n、s、w、e分別為控制容積的4個(gè)邊界。

圖2 有限容積法網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division diagram of finite volume method

為了避免求解中得到“棋盤形”壓力場和速度場的失真解,采用圖2所示的交錯(cuò)式網(wǎng)格結(jié)構(gòu),其中圓形為壓力場網(wǎng)格點(diǎn),其與求解域網(wǎng)格點(diǎn)重合;方形和三角形分別表示速度場分量u和v網(wǎng)格點(diǎn),分別沿x和y坐標(biāo)方向偏移半個(gè)網(wǎng)格長度。

將式(3)、(4)寫成通用格式:

(5)

表1 通用方程各參數(shù)意義Tab.1 Parameter meanings of general equations

(6)

在控制容積P內(nèi)對式(6)兩邊進(jìn)行時(shí)間域和空間域的積分,假設(shè):

2)總通量密度Jx和Jy在控制體各界面上是均勻的,即有

(7)

3) 源項(xiàng)S可以表示為ΦP的線性函數(shù),即:S=SC+SPΦP(SP≤0),其中SC、SP分別為常數(shù)項(xiàng)和正比例項(xiàng)系數(shù)。

那么,得到積分后的方程為

(8)

式中,ΔV=ΔxΔy為控制容積的體積。

界面總通量表達(dá)式為[20]

(9)

將式(9)代入式(8),得到通用離散方程:

aPΦP=aEΦE+aWΦW+aNΦN+aSΦS+b

(10)

其中:aE=DeA(|Pe|)+max(-Fe,0)

aW=DwA(|Pw|)+max(Fw,0)

aN=DnA(|Pn|)+max(-Fn,0)

aS=DsA(|Ps|)+max(Fs,0)

表2 對流強(qiáng)度Fi和擴(kuò)散強(qiáng)度Di取值表Tab.2 Values of convection intensity Fi and diffusion intensity Di

2.2 邊界設(shè)定與流固耦合面處理

在求解域上,速度場和壓力場的邊界條件完全相反[21],圖3為整個(gè)求解域邊界示意圖。圖中OA:u=u0,v=0,p=p0,T=T0;AB:u=0,v=0,p=0,T=Tf;OC:?u/?x=0,v=0,?p/?x=0,?T/?x=0;BD:u=0,?v/?x=0,p=0,T=Tf;CD:u=0,v=0,?p/?x=0;CE:?T/?x=0;DF:T=T1;EF:T=T1。

圖3 求解域邊界示意Fig.3 Boundary diagram of solution domain

熱風(fēng)以一定的熱流密度對流固耦合界面CD加熱,外部流場和路面內(nèi)部溫度場之間相互影響。相比于瀝青路面內(nèi)部溫度場的平衡時(shí)間,外部流場達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間很短,可忽略不計(jì)[22]。本文采用松耦合法[23]對流固耦合界面進(jìn)行處理,即假設(shè)外部流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后不再發(fā)生變化,在流固耦合界面CD處利用兩側(cè)熱流密度相等的條件,以穩(wěn)定狀態(tài)下的外部流場對瀝青路面內(nèi)部導(dǎo)熱模型進(jìn)行迭代求解。

2.3 計(jì)算過程

采用SIMPLE算法對速度-壓力耦合方程進(jìn)行解耦計(jì)算,速度u、v和壓強(qiáng)p分別表示為估計(jì)值u*、v*、p*與修正值u′、v′、p′之和,即u=u*+u′,v=v*+v′,p=p*+p′,得到流固耦合界面的速度值,將此速度值代入離散方程(10),得到壓力修正方程:

(11)

式中:aE=ρdeΔy,aW=ρdwΔy,aN=ρdnΔx,aS=ρdsΔx;de=Δy/ae,dw=Δy/aw,dn=Δx/an,ds=Δx/as;aP=aE+aW+aN+aS,b=(ρuw-ρue)Δy+(ρvs-ρvn)Δx,ae,aw,an,as為動(dòng)量方程中4個(gè)界面位置對應(yīng)的aP值。

速度修正方程為

(12)

具體計(jì)算過程為:假設(shè)初始?jí)毫鰌*,在整個(gè)求解域上求解式(10),計(jì)算出圖2所示的交錯(cuò)網(wǎng)格界面速度u*和v*,將u*和v*代入方程(11),得到修正壓力p′和修正后的壓力p=p*+p′,再由方程(12)計(jì)算界面修正速度u′、v′及修正后的界面速度u=u*+u′和v=v*+v′。至此,完成一次速度與壓力耦合方程的解耦計(jì)算。計(jì)算程序流程如圖4所示。

圖4 計(jì)算程序Fig.4 Calculation program diagram

若速度場未收斂,將得到的壓力場和速度場作為初始場重復(fù)迭代計(jì)算;若速度場已收斂,求解式(10)后重復(fù)迭代計(jì)算,得到溫度場收斂解T1。令流固耦合面兩側(cè)的熱流密度相等(q1=q2),求解由式(10)得到的路面內(nèi)部導(dǎo)熱的離散能量方程。若路面內(nèi)部溫度場T2未收斂,則重復(fù)利用流固耦合面兩側(cè)熱流密度相等的條件繼續(xù)迭代;若路面內(nèi)部溫度場T2已收斂,得到了一個(gè)時(shí)間步長的速度和溫度。時(shí)間步長遞進(jìn),直至計(jì)算完所需的計(jì)算時(shí)長,繪制求解時(shí)間內(nèi)的速度場和溫度場分布。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算參數(shù)選取

表3為采用插值法得到的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下標(biāo)準(zhǔn)煙氣熱物理性質(zhì)參數(shù)[24]。假設(shè)瀝青路面材料均勻、各向同性,表4為瀝青路面試件AC-13上面層試樣塊的熱物理性質(zhì)參數(shù)[10],選取表中參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表3 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下標(biāo)準(zhǔn)煙氣的熱物理性質(zhì)表Tab.3 Thermophysical properties of standard flue gas under standard atmospheric pressure

表4 試件AC-13上面層的熱物理性質(zhì)表Tab.4 Thermophysical properties of upper layer for AC-13

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

利用MATLAB編制程序求解熱風(fēng)加熱瀝青路面?zhèn)鳠崮Ｐ?取對稱求解域長度0.45 m,噴口直徑0.055 m,噴口高度0.15 m,出口熱風(fēng)速度8 m/s,出口熱風(fēng)溫度500 ℃,取距原點(diǎn)0.05 m范圍的平均溫度作為計(jì)算指標(biāo)。計(jì)算得到5 s流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定速度場分布如圖5所示。4 cm處平均溫度達(dá)到100 ℃的時(shí)間為43.3 min,該時(shí)刻整個(gè)求解域溫度場分布如圖6所示。圖6中Y向坐標(biāo)在0.1 m以上區(qū)域?yàn)榱鲌鲇?0.1 m以下為瀝青路面區(qū)域。

圖5 速度場分布圖Fig.5 Velocity field distribution

圖6 溫度場分布圖Fig.6 Temperature field distribution

從圖5可以看出,速度場沿著噴口軸線方向有一段自由射流區(qū),在此區(qū)域內(nèi)射流不斷卷吸周圍氣體進(jìn)行動(dòng)量交換,使得射流截面寬度不斷擴(kuò)張。在Y向坐標(biāo)0.07 m附近,速度場發(fā)生顯著彎曲,射流進(jìn)入沖擊區(qū)。駐點(diǎn)區(qū)的速度受壁面沖擊的影響而急劇下降,射流沿瀝青路面表層向兩側(cè)發(fā)展,進(jìn)入壁面射流區(qū)。射流在黏性和密度的作用下沿壁面產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角,沿弧線偏離壁面。

如圖6所示,壁面駐點(diǎn)區(qū)的溫度達(dá)到最高,沿兩側(cè)逐漸降低,在瀝青路面內(nèi)部,僅存在導(dǎo)熱作用,壁面駐點(diǎn)區(qū)附近的溫度較高,溫度梯度較大,因此路面內(nèi)部駐點(diǎn)區(qū)附近的熱量傳遞最快,溫度也最高。通過分析,速度場和溫度場分布均符合沖擊射流換熱的理論規(guī)律。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

為了驗(yàn)證所建模型計(jì)算的正確性,搭建了熱風(fēng)加熱瀝青試樣塊的沖擊射流試驗(yàn)臺(tái)。熱風(fēng)供給系統(tǒng)如圖7所示。鼓風(fēng)機(jī)將恒定流量的冷風(fēng)輸送到管道中,冷風(fēng)經(jīng)加熱器加熱后形成高溫?zé)犸L(fēng),通過噴口以一定流速射向?yàn)r青試樣塊。

圖7 熱風(fēng)供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structural diagram of hot air supply system

熱風(fēng)供給系統(tǒng)具備準(zhǔn)確調(diào)節(jié)噴口的熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)速度的功能。鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)為RB-72S-4雙葉輪旋渦風(fēng)機(jī),具有變頻驅(qū)動(dòng)和氣體壓力損失小的優(yōu)點(diǎn)。西門子V20變頻器,通過改變變頻器工作頻率對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,以獲得實(shí)驗(yàn)需求的熱風(fēng)速度。輸風(fēng)管道上安裝有DN50卡門渦街流量計(jì),可以測量管道中的冷風(fēng)流量;加熱器DF-5000R對管道內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱;改變DSE三相功率控制器的功率對加熱器輸出功率進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對噴口處熱風(fēng)溫度控制。

試驗(yàn)臺(tái)配置了瀝青試樣塊溫度采集系統(tǒng),如圖8所示。NI-9213溫度輸入模塊對溫度信號(hào)進(jìn)行采集,通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口,利用NI-cDAQ-9191機(jī)箱將NI-9213溫度輸入模塊的數(shù)據(jù)同步至計(jì)算機(jī),基于模塊驅(qū)動(dòng)程序,將計(jì)算機(jī)所得數(shù)據(jù)輸送到Labview溫度采集平臺(tái),Labview程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)一步存儲(chǔ)和處理,在界面上實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線。

圖8 溫度采集系統(tǒng)工作原理圖Fig.8 Working principle of temperature acquisition system

搭建的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示,AC-13上面層瀝青試樣塊(厚度8 cm),其深度0 cm和4 cm的橫截面上分別嵌入3個(gè)熱電偶(如圖10所示),每個(gè)截面的溫度是3個(gè)熱電偶的平均值。實(shí)驗(yàn)選用測量精度較高的GG-K-36-SLE型熱電偶作為溫度傳感器測量瀝青路面溫度,其溫度測量范圍為0～1 250 ℃,精度±0.4%,響應(yīng)時(shí)間小于0.3 s。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structural diagram of test bench

圖10 瀝青試樣塊及熱電偶分布圖Fig.10 Asphalt sample and thermocouple distribution

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

調(diào)節(jié)噴嘴距瀝青試樣塊表面的高度為0.15 m,加熱溫度為500 ℃,熱風(fēng)風(fēng)速為8 m/s,進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn),當(dāng)瀝青試樣塊4 cm處平均溫度達(dá)到100 ℃時(shí)停止加熱。

從圖11可以看出,路面表層溫度和4 cm處溫度的模型數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合度高。在前7 min,路面表層溫度的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果接近一致,而7 min之后試驗(yàn)結(jié)果所測溫度略高于模型計(jì)算溫度。這是由于實(shí)驗(yàn)中為了防止加熱的瀝青試驗(yàn)塊熱量快速散逸到周圍空氣中,在試樣塊周圍包裹了一圈保溫棉,加強(qiáng)了熱量沿深度方向傳遞,使實(shí)驗(yàn)中路層4 cm達(dá)到100.0 ℃的時(shí)間比仿真時(shí)間短,實(shí)驗(yàn)所測溫度也略高。路面4 cm處達(dá)到100.0 ℃的時(shí)間為43.3 min,此時(shí)路面表層溫度為243.3 ℃;實(shí)驗(yàn)時(shí)路層4 cm處達(dá)到100.0 ℃的時(shí)間為35.1 min,此時(shí)路面平均溫度為259.2 ℃,兩者溫度的平均誤差為8.4%。數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的溫度場變化趨勢相似,因此,熱風(fēng)加熱瀝青路面沖擊射流的數(shù)值模型可以用來評(píng)價(jià)熱風(fēng)加熱瀝青路面的溫度場。

圖11 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.11 Comparison between numerical calculation and experimental results

5 瀝青路面加熱效果分析

熱流密度和換熱系數(shù)是反映路面對熱量吸收效果的重要指標(biāo)。平均熱流密度q由式(13)計(jì)算,反映了熱量進(jìn)入瀝青路面的強(qiáng)度。平均換熱系數(shù)h反映了熱風(fēng)從噴口到瀝青路面間的熱能利用率,平均換熱系數(shù)越大,加熱過程的能量利用率也越大,其通過式(14)計(jì)算。

(13)

h=q/(Tf-Tw)

(14)

式中:Tf為熱風(fēng)出口溫度與瀝青路面溫度的均值,Tw為瀝青路面溫度。

熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度是實(shí)現(xiàn)瀝青路面高效加熱的關(guān)鍵,為了分析熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度對瀝青路面加熱效果的影響程度,熱風(fēng)出口速度取6、8、10 m/s,熱風(fēng)出口溫度取400、450、500 ℃,分別計(jì)算表5中9組參數(shù)組合下數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的平均熱流密度和平均換熱系數(shù)。

表5 數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果Tab.5 Numerical calculation and experimental measurement results

圖12為平均熱流密度和平均換熱系數(shù)變化曲線圖。可以看出,平均熱流密度和換熱系數(shù)隨加熱時(shí)間的增加逐漸減小。在加熱初期,兩者數(shù)值較大,隨著加熱過程的進(jìn)行,平均熱流密度和平均換熱系數(shù)均呈下降趨勢,但下降幅度逐漸減小。因?yàn)榧訜崆捌?熱流密度大,但瀝青路面溫度較低,與熱風(fēng)間的溫差大,瀝青路面表面換熱強(qiáng)度大。隨著加熱的進(jìn)行,瀝青路面溫度逐漸升高,路面與熱風(fēng)的溫差減小,換熱強(qiáng)度減弱,熱流密度和換熱系數(shù)逐漸減小,路面溫升趨于平緩。

正交試驗(yàn)法是一種利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理,建立正交表來研究多因素多水平優(yōu)化問題的方法,具有均勻分散性和齊整可比性的特點(diǎn),在許多領(lǐng)域的研究中得到了廣泛應(yīng)用。為分析熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度對瀝青路面加熱效果的影響程度,選取路面溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的平均熱流密度q和平均換熱系數(shù)h為指標(biāo),A、B分別為熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度的兩個(gè)因素,每個(gè)因素水平依次為k1、k2、k3,采用L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表6,采用極差R和方差F分析法確定各因素對指標(biāo)的影響程度,極差值R越大,對應(yīng)因素對指標(biāo)的影響越大。選取置信度為0.05,若F>F0.05,對應(yīng)因素對指標(biāo)影響較大,反之,對應(yīng)因素對指標(biāo)影響不顯著。

表6 正交試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析Tab.6 Numerical calculation results in orthogonal test

從表6中的極差和方差結(jié)果可知,熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度對平均熱流密度q都有顯著影響,其中熱風(fēng)出口溫度對平均熱流密度q的影響更為顯著;熱風(fēng)出口速度對平均換熱系數(shù)h有顯著影響,而熱風(fēng)出口溫度對平均換熱系數(shù)h的影響相較于平均熱流密度q指標(biāo)表現(xiàn)為不顯著。

隨著熱風(fēng)出口速度的增大,熱風(fēng)射流能保持較長的速度核心區(qū),邊界層變薄,換熱強(qiáng)度增強(qiáng),因此,平均熱流密度和換熱系數(shù)均增大。熱風(fēng)出口溫度增大,傳遞到路面的熱量增加,熱流密度隨之增大,路面溫升加快,熱風(fēng)與瀝青路面間的溫差逐漸減小,換熱強(qiáng)度隨之減弱,因此熱風(fēng)出口溫度對平均換熱系數(shù)的影響相較于平均熱流密度指標(biāo)表現(xiàn)為不顯著。

6 結(jié) 論

1)基于傳熱學(xué)理論,建立了熱風(fēng)沖擊射流對流換熱和瀝青路面內(nèi)部導(dǎo)熱的共軛傳熱理論模型,采用有限容積法得到了瀝青路面加熱的通用離散方程,選取SIMPLE算法得到了整個(gè)求解域內(nèi)溫度場分布。理論模型得到的溫度場分布與試驗(yàn)結(jié)果趨勢吻合度高,兩者平均誤差為8.4%,驗(yàn)證了模型的正確性,表明有限容積法和SIMPLE算法用于瀝青路面溫度場計(jì)算的可靠性。

2)9組瀝青路面加熱效果的仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明, 在加熱初期,平均的熱流密度和換熱系數(shù)均從最大值急劇下降,隨后下降幅度逐漸減小至趨于平衡,兩者試驗(yàn)與仿真結(jié)果的平均誤差分別為6.4%和7.8%。因此,選取平均的熱流密度和換熱系數(shù)反映熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度對瀝青路面加熱效果的影響是有效的。

3)正交試驗(yàn)表明, 熱風(fēng)出口速度和熱風(fēng)出口溫度對平均熱流密度有顯著影響,熱風(fēng)出口速度對平均換熱系數(shù)有顯著影響,熱風(fēng)出口溫度對平均換熱系數(shù)的影響相較于平均熱流密度指標(biāo)表現(xiàn)為不顯著。