摘 要

通过建模软件Solidworks对沥青发生装置进行三维建模，采用有限元仿真软件Fluent分析了不同参数条件下基质沥青的发泡过程，并对比了试验结果和仿真结果，分析了应用有限元仿真技术研究基质沥青发泡膨胀率的可靠性；对发泡腔和发泡腔内各流体材料进行有限元仿真，利用Fluent中的后处理功能得到了发泡腔的温度、速度、压力和各相的分布云图。仿真结果表明：在整个发泡过程中，基质沥青温度的增大使沥青黏度下降，发泡腔内水蒸汽增加，当基质沥青温度从120℃升高到160℃时，基质沥青的发泡膨胀率从4增大到11，说明基质沥青温度的变化对其发泡膨胀率的影响很大；基质沥青流量的增大起到增加发泡腔内基质沥青总量和减少基质沥青之间相互接触时间和接触面积的作用，当基质沥青入口流量从60g·s^-1增大到120g·s^-1时，基质沥青的发泡膨胀率为7~11，表明基质沥青流量的变化对其发泡膨胀率的影响很大；当用水量从2.0%增大到3.5%时，基质沥青的发泡膨胀率基本不变，说明用水量对基质沥青发泡膨胀率的影响不大；仿真得到的最低发泡膨胀率为3.57，此时发泡条件参数分别是基质沥青流量为120g·s^-1，基质沥青温度为120℃，发泡用水量为3.0%。

关键词 路面工程 | 基质沥青 | 发泡腔 | 分布云图 | 发泡膨胀率 | 用水量

0、引言

在实际工程应用中都是采用膨胀率和半衰期来评判泡沫沥青的发泡效果沥青网sinoasphalt.com。泡沫沥青发泡膨胀率越高，其表面积就越大，在拌和过程中泡沫沥青和集料的接触面积就越大，两者拌和更均匀；半衰期越长，说明沥青泡沫衰减速度缓慢，可以与集料有较长时间的接触与拌和，从而提高泡沫沥青混合料的质量[1-7]。

关于泡沫沥青发泡机理和发泡条件对基质沥青发泡膨胀率的影响方面：Cheng等研究了沥青发泡过程中腔内部流场的特征，确定了影响发泡膨胀率的主要结构参数，将腔体积、入口尺寸和出口尺寸等影响因素作为参数，并将膨胀比作为响应值，采用Box-Behnken设计方法选择测试点，结果表明，空腔体积对发泡膨胀率的影响最大，其次是沥青质，且沥青入口尺寸与发泡腔体积之间的相互作用对发泡膨胀率的影响显著，通过参数优化，当沥青发泡腔体积为87.5mL，入口尺寸为2.79mm，出口尺寸为7.68mm时，可实现较大的发泡膨胀率[8]；Wang等选择沥青温度、含水量和气压来研究它们对沥青发泡性能的影响，试验条件是不同因素和水平的组合，即沥青温度分别为160℃、170℃、180℃、190℃，含水量分别为沥青质量的1%、2%、3%、4%、5%，空气压力分别为0.1、0.3、0.5、0.7MPa，对于每个试验条件进行3次重复测试，并将最大发泡膨胀率和半衰期平均值作为用于减少由人的主观因素产生的误差的最终试验值，最后建立了沥青发泡的神经网络模型[9]。

关于发泡条件对基质沥青发泡膨胀率和泡沫沥青衰落过程的影响方面：He等提出当发泡条件变化时，基质沥青发泡的整体趋势是发泡膨胀率先增大到最大值，然后逐渐降低并保持稳定，且基质沥青刚喷涌出时发泡膨胀率就已经最大，然后开始逐渐缩小，最后趋于稳定[10-14]；李强等采用微观分析来研究影响基质沥青发泡过程的主要因素在发泡过程中所起的作用，得出基质沥青的发泡过程主要是通过水和基质沥青接触后发生热交换，在压力差和沥青薄膜张力不等的情况下基质沥青开始膨胀，沥青汽泡膨胀到极限后破裂，然后持续的汽泡破裂循环，最后沥青汽泡生成与破裂达到相对稳定状态[15]；何佳通过试验验证了基质沥青的发泡效果很大程度上取决于发泡用水量，而其他条件几乎没有影响[16]；王启超采用Fluent软件建立了发泡腔模型，分析了影响发泡膨胀率的工艺参数和结构参数，得出基质沥青流量为120～160g·s^-1，且采用2种不同型号的基质沥青发泡时，其膨胀率变化都处于相对稳定的状态，说明基质沥青流量为120~160g·s^-1时，沥青型号对其发泡膨胀率几乎不产生影响[17]。

通过分析国内外众多学者的研究可知，有很多因素对基质沥青的发泡过程产生影响，其中发泡用水量、沥青类型、沥青压力、空气压力和水压力会改变发泡腔内流体的混合程度，影响基质沥青的发泡效果[18-22]。但是国内外众多学者通过发泡试验的手段研究不同条件参数对基质沥青发泡膨胀率的影响，并不能直接观察到基质沥青的发泡过程和各物质在发泡腔内存在的状态，难以观察发泡条件是如何在发泡过程中起作用。鉴于此，本文通过建立发泡过程模型来模拟整个发泡过程，得到发泡腔中各物质的存在状态和分布位置，分别得出用水量、基质沥青温度、基质沥青流量等因素对基质沥青发泡膨胀率的影响。

1、仿真模型

本文所用模型根据实际发泡腔结构建立，基质沥青发泡实体见图1。

1.1发泡腔模型建立与网格划分

基质沥青发泡过程是在发泡腔内进行的，发泡腔的结构设计关乎整个发泡过程。仿真模型显示的只有发泡腔的进出口和反应所在的空腔部分，其中进出口尺寸和空腔容积都是按照实际尺寸建立[23-24]，见图2。

发泡腔内部可以直接进行体网格划分，体网格类型选择Tet/Hybrid，即以四面体网格形式为主，在适当位置上软件会自动选择包括六面体、锥形和楔形网格；而划分类型选择TGrid，即将体划分为四面体网格单元，在适当位置可以包含六面体、锥体和楔形单元；网格大小选择1mm。

整个发泡腔的腔体内部都参与了发泡的整个过程，这样的发泡腔的腔体内部被称为流体域[25]。先利用Fluent软件提取发泡腔的流体域，然后将提取好的流体域加载到ICEM CFD模块中划分体网格，流体域划分好的网格见图3。

在ICEM CFD模块中划分网格时选择TetHybrid这一选项，在对模型的体网格划分后还要对其质量进行检查，以保证网格质量满足要求，因为网格划分的质量关系到流体仿真的速度和仿真结果，网格质量检查见图4，可知：仿真模型的网格质量大于0.36，满足本次仿真计算要求。

1.2沥青发泡过程模型建立与网格划分

泡沫沥青从发泡腔出口喷出后沥青泡沫的体积会在压力差的作用下逐渐变大，当压力差和沥青泡沫薄膜表面张力达到平衡状态时，沥青泡沫的体积达到最大[26]，也就是说沥青泡沫距离出口越远膨胀体积越大。本次仿真结果中沥青在喷出距离为3ｍ时泡沫沥青的发泡膨胀率已经达到最大，所以本文将发泡膨胀率定义为沥青喷出距离3ｍ位置的泡沫沥青体积流量与发泡前基质沥青入口处的体积流量比[27]。测量距发泡腔出口一定距离截面的体积流量，建立发泡过程模型并进行网格划分，分别见图5、6。

2、仿真初始条件与各流体材料特性参数设置

基质沥青发泡过程建模和网格划分后，需要始条件和参数设置目的是与试验验证时保持一致。仿真试验的初始参数见表1[28]，仿真中各材料参数见表2。

在基质沥青发泡过程中涉及的流体材料有空气、水、水蒸汽和基质沥青，除基质沥青外，其他材料都可以在Fluent的材料库中调用，所以需要通过设置密度、比热容、热导率等参数定义基质沥青。基质沥青的材料参数见表3。

3、仿真结果可靠性

仿真结果并不能直接应用到实际生产中，只有将仿真和试验结果进行对比才能验证仿真结果的可靠性。详细的试验数据见文献[13]、[14]和表4，仿真结果见表5。

采用仿真结果和试验结果的相对误差θ来验证仿真结果的可靠性，即

当基质沥青流量分别为80、100、120g·s^-1时，相对误差结果见表6，可知：相对误差在可接受的范围内，所以可以采用仿真方法研究不同发泡条件对基质沥青发泡膨胀率的影响。

4、发泡腔内部和发泡腔内各流体材料有限元仿真结果

根据本文设置的仿真初始条件和参数，利用Fluent的后处理功能得到基质沥青流量为100g·s^-1时发泡腔的温度、速度、压力的分布云图以及发泡腔中各流体材料沥青、水、水蒸汽、空气相的分布云图。

4.1发泡腔内部温度场

发泡腔内部温度分布见图7，可知：进入腔体内的沥青温度最高，空气和水入口靠腔壁的位置温度较低。

4.2发泡腔内部速度场

发泡腔中沥青、空气、水和水蒸汽流动迹线见图8，可知：水从入口进入后与高温沥青相遇开始汽化，随着沥青的流动从发泡腔中喷出，还有一部分水蒸汽在腔内压力的作用下在发泡腔内运动；空气从腔体的左侧入口进入后会改变沥青的运动轨迹。

4.3发泡腔内部压力分布

腔体内部压力分布见图9，可看出：腔体内部的压力分布是有规律的，入口和出口压力分别0.10、0.08MPa，所以腔体上部压力大于腔体下部压力；正是由于腔体内部的压力分布不平衡，才使得流体材料在腔体内部运动，使泡沫沥青喷出腔外。

4.4发泡腔内各流体材料相分布

腔体内部4种相的分布情况见图10，可知：沥青主要分布在腔体的中间部分，在发泡腔下部沥青所占比例逐渐减少，这是由于空气和水进入发泡腔后会占一部分比例；沥青进入发泡腔后由于重力的作用向下运动，在运动过程中在空气的吹动下运动方向会发生偏移；水相在腔体右侧入口和出口位置所占比例较大；水蒸汽主要集中在整个发泡腔的壁面附近，这些水蒸汽在发泡腔内被沥青包裹，从出口处喷出发泡腔，并在压力差的作用下形成泡沫沥青；空气在发泡腔内部主要集中在空气入口位置，从空气在腔体内部的分布情况可以得出空气直接从入口到出口，在这个过程中只改变沥青的运动轨迹，说明空气在整个发泡过程中并不直接参与发泡，只是加大了沥青和水蒸汽的接触面积和剧烈程度，起到催化作用。

5、不同参数条件下发泡过程仿真结果

在整个基质沥青发泡过程中有很多因素会起作用，从而影响最终的发泡结果。本节利用前文建立的模型来研究不同发泡条件下发泡效果的变化趋势。根据仿真条件的限制和前人对发泡过程的仿真结果，本节主要研究影响基质沥青发泡效果的主要因素，即用水量、基质沥青流量和温度。基质沥青发泡初始条件见表9，根据所选的仿真条件得到的仿真结果见表10～13。

从表10~13可知：在整个发泡过程中，用水量从2.0%逐渐增大到3.5%时，发泡膨胀率几乎不变；用水量的增加可以增大水和热沥青在发泡腔的接触面积，对基质沥青的发泡有促进作用，但水在发泡腔内汽化需要吸收热量，用水量的增大会导致发泡腔内温度降低，且泡沫沥青从发泡腔出口喷出后会有一部分能量流失，也会导致温度降低，这都不利于基质沥青的发泡，因此，用水量的变化对发泡膨胀率的影响不大；在整个发泡过程中，基质沥青温度从120℃逐渐升高到160℃时，发泡膨胀率逐渐增大，发泡膨胀率的变化幅度会随基质沥青流量的减小而变小；当进入腔体内的基质沥青温度升高时，腔体内部温度就会随之升高，水蒸发变成水蒸汽的速度越快，且温度越高基质沥青的流动性越好，因此，基质沥青温度越高导致其发泡膨胀率越大；当基质沥青流量从60g·s^-1逐渐增大到120g·s^-1时，发泡膨胀率逐渐降低，当基质沥青流量增大时，腔体内的基质沥青总量就会增加，基质沥青的流动速度加快，流体之间的相互接触时间和接触面积都会减少，且基质沥青流量的增加会使腔体内温度增加得更快，加快水蒸汽的生成速率，因此，基质沥青流量增大会导致沥青发泡膨胀率增大；仿真所得最低发泡膨胀率为3.57，此时发泡条件参数分别是基质沥青流量为120g·s^-1，基质沥青温度为120℃，发泡用水量为3.0%。

6、结语

(1)分析了在基质沥青发泡过程中影响基质沥青发泡膨胀率的主要因素；通过Fluent仿真得到发泡腔内基质沥青、水、水蒸汽和空气的分布以及它们各自在发泡过程中所起的作用。

(2)通过仿真分析得出，当基质沥青温度从120℃升高到160℃时，发泡膨胀率从4增大到11，基质沥青温度变化对发泡膨胀率的影响很大；当基质沥青入口流量从60g·s^-1增大到120g·s^-1时，基质沥青的发泡膨胀率为7~11，表明基质沥青流量的变化对发泡膨胀率的影响很大；当用水量从2.0%增大到3.5%时，发泡膨胀率基本不变，说明用水量对基质沥青发泡过程的影响不大。

(3)仿真所得基质沥青最低发泡膨胀率为3.57，此时发泡条件参数分别是基质沥青流量为120g·s^-1，基质沥青温度为120℃，发泡用水量为3.0%。

(4)在进行基质沥青发泡过程仿真时，未分析发泡腔的结构参数，下一步需要继续完善仿真模型，增加模拟结果的真实性。