沥青发泡腔内多相流场解析与试验的对比评价
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。
摘要：
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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...
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作者：闻远设计
分类：土木建筑化工水利
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时间：2023-05-09
