瀝青混合料攪拌滾筒攪拌機(jī)理分析

李旋，馬登成,2，楊士敏

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710064;2.徐州工程機(jī)械

集團(tuán)道路機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州　221006)

瀝青混合料攪拌滾筒攪拌機(jī)理分析

李旋1，馬登成1,2，楊士敏1

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064;2.徐州工程機(jī)械

集團(tuán)道路機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州221006)

摘要：瀝青混合料在攪拌滾筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)很容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，混合料的離析會(huì)降低瀝青路面的施工質(zhì)量和路用性能.由于瀝青混合料在攪拌滾筒內(nèi)的流動(dòng)特性非常復(fù)雜，很難采用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行求解.通過(guò)建立瀝青混合料三維流道分析模型，利用Fluent仿真軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型、Mixture模型和MRF模型，然后基于面積平均加權(quán)函數(shù)的混合理論計(jì)算并分析了不同葉片結(jié)構(gòu)和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料離析現(xiàn)象的影響.結(jié)果表明：螺旋葉片對(duì)瀝青混合料的攪拌均勻性有一定的影響，合理的葉片螺旋角在一定程度上可以提高瀝青混合料的攪拌均勻性.滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料攪拌均勻性的影響較大，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)混合料的混合均勻性較差，隨著轉(zhuǎn)速的提高混合料的混合效果有所提高.

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；離析；攪拌機(jī)理；數(shù)值模擬

第一作者：李旋(1988-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械理論及作業(yè)質(zhì)量控制.E-mail：lixuan_78l@163.com

瀝青路面養(yǎng)護(hù)車現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于瀝青路面的養(yǎng)護(hù)作業(yè)中，在對(duì)瀝青混合料進(jìn)行攪拌加熱的過(guò)程中，混合料很容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象[1].瀝青混合料產(chǎn)生離析后，粗細(xì)混合料會(huì)不均勻分布，混合料的級(jí)配組成會(huì)產(chǎn)生偏差，施工后瀝青路面的路用性能會(huì)降低，甚至?xí)霈F(xiàn)路面的早期破壞現(xiàn)象[2-3].因此，研究合理的葉片結(jié)構(gòu)以及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)于提升瀝青混合料的攪拌均勻性，降低瀝青混合料的離析現(xiàn)象具有十分重要的意義.

關(guān)于瀝青混合料的攪拌均勻性和離析現(xiàn)象，前人已經(jīng)做了大量的工作.謝立揚(yáng)等[4]采用理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)攪拌過(guò)程中瀝青混合料的離析進(jìn)行了研究；何志勇等[5]通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)研究了螺旋分料器的螺距和半徑對(duì)改善瀝青混合料離析程度的影響；邱愛紅等[6]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了螺旋分料器螺旋軸的工作轉(zhuǎn)速、螺徑比對(duì)瀝青混合料混合均化效果的影響.由于瀝青混合料攪拌滾筒幾何結(jié)構(gòu)和混合料的流動(dòng)特性較為復(fù)雜，很難采用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行求解，而采用試驗(yàn)的方法來(lái)研究攪拌滾筒結(jié)構(gòu)和滾筒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)瀝青混合料離析的影響又將耗費(fèi)較大的人力和財(cái)力.因此，本文基于流體力學(xué)的基本原理，采用有限容積法及混合模型法，利用流體力學(xué)仿真軟件Fluent，通過(guò)建立瀝青混合料多相流流體模型，對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)仿真[7-9]，分析了螺旋葉片結(jié)構(gòu)以及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料混合均勻性的影響.

1數(shù)學(xué)模型及數(shù)值研究

1.1　瀝青混合料攪拌滾筒流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

攪拌過(guò)程中攪拌滾筒勻速旋轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)部布有螺旋葉片，在螺旋葉片和重力作用下瀝青混合料在滾筒內(nèi)部不斷流動(dòng)混合.瀝青混合料是一種復(fù)合材料，主要由瀝青和不同粒徑的骨料組成，因此該流體是多相流體.Fluent多相模型有VOF模型、混合模型以及歐拉模型等.VOF模型是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤法，適用于分層得或自由表面的流動(dòng).混合模型求解的是混合物的動(dòng)量、連續(xù)性和能量方程，各相的體積分?jǐn)?shù)方程，并通過(guò)各相間的速度滑移來(lái)描述離散相.歐拉模型各相被處理為互相貫通的連續(xù)體.根據(jù)瀝青混合料的特性，采用混合模型.攪拌滾筒內(nèi)部瀝青混合料的流動(dòng)是復(fù)雜的湍流問(wèn)題，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型來(lái)描述瀝青混合料的流動(dòng)問(wèn)題，其連續(xù)性方程為[10]：

(1)

(2)

在研究中，采用有限容積法離散控制方程式，選取壓力基隱式求解方法，由SIMPLE算法耦合速度和壓力，采用基于單元體的最小二乘法進(jìn)行梯度插值運(yùn)算.混合模型各相的方程組采用耦合循環(huán)迭代的方法直到各相耦合迭代達(dá)到收斂.

1.2　瀝青混合料流場(chǎng)的數(shù)值研究

在對(duì)瀝青混合料進(jìn)行流場(chǎng)仿真后通過(guò)什么指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析現(xiàn)象十分重要.瀝青混合料的離析就是粗細(xì)骨料分布不均勻，為此基于面積平均加權(quán)函數(shù)的混合理論，通過(guò)瀝青混合料的混合均化效果來(lái)評(píng)價(jià)混合料的離析程度.瀝青混合料的混合均勻性可以通過(guò)面積平均加權(quán)函數(shù)來(lái)表示.在二維條件下，混合料流場(chǎng)在某處的混合均化效果可以用下式表示[11]：

(3)

將某一總面積為S的平面用微元法將該平面看成由面積為S1、S2,…,Sn的n個(gè)單元組成，這n個(gè)單元對(duì)應(yīng)的混合效果分別為e1，e2，…，en，則該平面的面積平均加權(quán)混合效果為：

(4)

某一平面的面積平均混合均化效果也可以用下式表示：

e=∫sei,jds/∫sds

(5)

2物理模型及邊界條件

2.1　模型建立及網(wǎng)格劃分

采用三維建模軟件建立混合料攪拌滾筒模型，攪拌滾筒三維透視圖如圖1所示，攪拌滾筒主要由螺旋葉片1和滾筒壁面2組成.滾筒分為圓柱段和圓臺(tái)段2個(gè)部分，其中圓柱段的柱面直徑為1 508 mm，長(zhǎng)度為1 970 mm，圓臺(tái)段上底面直徑為300 mm，下底面與圓柱段相結(jié)合直徑與圓柱面直徑相同，圓臺(tái)高度為280 mm.螺旋葉片采用等螺距螺旋葉片，螺旋角分別為65°、67°、68°、69°，葉片高度300 mm.

圖1　攪拌滾筒的三維透視Fig.1　Perspective 3D model of stirring drum

將建立的三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件Gambit對(duì)整計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[12]，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量提高計(jì)算精度，在保證葉片線形的基礎(chǔ)上假設(shè)葉片的厚度為80 mm，以獲得網(wǎng)格質(zhì)量較高的模型.另外利用Gambit中的尺寸函數(shù)法對(duì)臨近滾筒壁面和葉片壁面的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理.整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格模型如圖2所示.

網(wǎng)格劃分之后對(duì)邊界類型和區(qū)域類型進(jìn)行設(shè)置，由于使用MRF模型需要定義區(qū)域，以便在FLUENT中定義相對(duì)靜止區(qū)域和相對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域.將攪拌滾筒出口處的小圓柱如圖2所示設(shè)置為子區(qū)域1(該區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)靜止區(qū)域)，將整個(gè)滾筒設(shè)置為子區(qū)

域2(該區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域).靜止區(qū)域和運(yùn)動(dòng)區(qū)域的交界面采用interface邊界面，滾筒入口定義為壓力入口邊界條件，將攪拌滾筒壁面和螺旋葉片壁面定義為動(dòng)邊界條件.

圖2　攪拌滾筒網(wǎng)格模型Fig.2　Mesh model of stirring drum

2.2　參數(shù)設(shè)定

將圖2所示的網(wǎng)格計(jì)算模型導(dǎo)入流體力學(xué)分析軟件Fluent進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和求解.求解過(guò)程中根據(jù)瀝青混合料在滾筒內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)際工況提出以下假設(shè)：

1)將瀝青混合料定義為不可壓縮牛頓流體；

2)混合料流場(chǎng)處于恒溫流場(chǎng)；

3)流道壁面采用無(wú)滑移邊界條件；

4)初始條件下瀝青混合料的各級(jí)配相分布均勻.

瀝青混合料物性參數(shù)設(shè)置：混合料密度為2 450 kg/m3，粘度為0.46 Pa·s，混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)如下表1所示[13].滾筒內(nèi)瀝青混合料的質(zhì)量為2.1 t，滾筒內(nèi)部其余部分為空氣，空氣相的物性參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的螺旋葉片模型，滾筒的工作轉(zhuǎn)速均為5 r/min.

設(shè)定好各相參數(shù)后，采用前文提到的混合模型、MRF模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型對(duì)瀝青混合料的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析[14-15].探討不同螺旋角螺旋葉片以及不同滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)混合料混合均勻性的影響.

表1　瀝青混合料級(jí)配設(shè)置

3仿真結(jié)果分析

3.1　攪拌葉片對(duì)瀝青混合料攪拌均勻性的影響

為了研究螺旋葉片對(duì)瀝青混合料混合均化效果的影響，選取截面z=0 mm即oxy平面作為研究對(duì)象，提取該截面上的面積加權(quán)混合效果進(jìn)行比較.圖3~6為不同螺旋葉片面積加權(quán)函數(shù)值e的分布云圖.

圖3　葉片螺旋角為65°時(shí)截面z=0的面積加權(quán)系數(shù)e分布云圖Fig.3　Distribution cloud figure of the mean weighting coefficient e of area z=0 with 65°helix angle of the blade

圖4　葉片螺旋角為67°時(shí)截面z=0的面積加權(quán)系數(shù)e分布云圖Fig.4　Distribution cloud figure of the mean weighting coefficient e of area z=0 with 67°helix angle of the blade

根據(jù)圖3~6可以得出靠近攪拌滾筒壁面和螺旋葉片的混合料的面積加權(quán)系數(shù)e值較大，即這些區(qū)域的混合料混合均勻性更好，因?yàn)榇颂幩俣忍荻容^大.對(duì)于采用不同的螺旋葉片，瀝青混合料的混合均勻性存在著一定的差異.當(dāng)螺旋葉片螺旋角為68°時(shí)加權(quán)系數(shù)e小于0.5的區(qū)域相對(duì)螺旋葉片螺旋角為65°而言更小，這說(shuō)明當(dāng)螺旋葉片螺旋角為68°時(shí)滾筒瀝青混合料的攪拌效果更好.

圖5　葉片螺旋角為68°時(shí)截面z=0的面積加權(quán)系數(shù)e分布云圖Fig.5　Distribution cloud figure of the mean weighting coefficient e of area z=0 with 68°helix angle of the blade

圖6　葉片螺旋角為69°時(shí)截面z=0的面積加權(quán)系數(shù)e分布云圖Fig.6　Distribution cloud figure of the mean weighting coefficient e of area z=0 with 69°helix angle of the blade

為了進(jìn)一步全面研究攪拌葉片對(duì)瀝青混合料攪拌均勻性的影響，分別截取沿x軸方向的不同截面為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算得出混合料在各截面混合均化效果的面積加權(quán)平均函數(shù)值.圖7為不同螺旋葉片沿x軸方向各截面混合均化效果的面積加權(quán)平均函數(shù)值的分布.由圖7可以得出螺旋葉片螺旋角對(duì)瀝青混合料的混合均勻度有一定的影響.當(dāng)螺旋葉片螺旋角過(guò)大或者過(guò)小時(shí)都會(huì)影響瀝青混合料的混合均勻性，當(dāng)螺旋葉片螺旋角為67°和68°時(shí)瀝青混合料的混合均勻性相對(duì)較好，其中當(dāng)螺旋葉片螺旋角為68°時(shí)混合料的混合均勻性最佳.隨著螺旋葉片螺旋角的增大，混合料的攪拌均勻性逐漸提高，當(dāng)螺旋葉片螺旋角超過(guò)68°時(shí)，混合料的混合均勻性開始降低.根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋葉片螺旋角為68°時(shí)是滾筒瀝青混合料攪拌效果的拐點(diǎn)，當(dāng)螺旋角較小時(shí)，葉片的螺距較大，滾筒內(nèi)大部分混合料只與滾筒壁面相互接觸作用而與葉片相互接觸的混合料相對(duì)較少，因此葉片對(duì)混合料的攪拌混合效果不明.當(dāng)螺旋角較大時(shí)，葉片的螺距較小，由于葉片的攪動(dòng)效果過(guò)為劇烈，容易導(dǎo)致混合料出現(xiàn)離析現(xiàn)象，因此當(dāng)螺旋角過(guò)大時(shí)混合料的攪拌均勻性會(huì)有所下降.

圖7　不同螺旋葉片沿x軸方向各截面的面積平均加權(quán)Fig.7　The mean weighting of each section along the x-axis of different blade

3.2　攪拌滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料攪拌均勻性的影響

確定攪拌葉片的結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步分析攪拌滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料混合均勻性的影響.選取攪拌滾筒轉(zhuǎn)速分別為3、4、5、6、7、8 r/min，螺旋葉片螺旋角為68°，其他條件均保持不變.圖8和圖9分別表示攪拌滾筒轉(zhuǎn)速為3、8 r/min時(shí)oxy截面的面積加權(quán)函數(shù)值e的分布云圖.不同轉(zhuǎn)速下沿x軸方向各截面混合均化效果的面積平均加權(quán)函數(shù)值分布如圖10所示.

將圖8和圖9進(jìn)行對(duì)比可以看出，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí)加權(quán)系數(shù)e小于0.5的區(qū)域要比當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為3 r/min時(shí)小得多，即當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí)混合料的混合均勻性明顯比滾筒轉(zhuǎn)速為3 r/min時(shí)好，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)混合料的混合均勻性較差.根據(jù)圖10可以得出滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青混合料的混合均勻性影響較大，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為3 r/min和4 r/min時(shí)瀝青混合料混合均勻性一般，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的逐漸增加，瀝青混合料的混合均勻性明顯提高，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到5 r/min后，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加混合料的混合均勻性進(jìn)一步提高，但提升幅度較小.當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，滾筒內(nèi)與滾筒壁面相互接觸的混合料會(huì)出現(xiàn)塌落和滾落運(yùn)動(dòng)模式，在這兩種運(yùn)動(dòng)模式下往往粒徑較大的骨料更容易滾落下來(lái)，這將導(dǎo)致不同粒徑的顆粒出現(xiàn)分離現(xiàn)象，也就是混合料的離析現(xiàn)象.隨著轉(zhuǎn)速逐漸提高瀝青混合料會(huì)出現(xiàn)瀉落運(yùn)動(dòng)模式，混合料在滾筒旋轉(zhuǎn)的作用下被提升至一定的高度，當(dāng)混合料自身重力大于離心力在豎直方向上的分力時(shí)，不同粒徑的混合料會(huì)一起瀉落下來(lái)，因此混合料不易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，攪拌均勻性較好.隨著滾筒轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，與滾筒壁面接觸的混合料會(huì)出現(xiàn)離心運(yùn)動(dòng)，在這種運(yùn)動(dòng)模式下混合料會(huì)纏在筒壁上與滾筒以相同的速度運(yùn)動(dòng)，混合料之間幾乎沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此混合料幾乎不會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象.

圖8　滾筒轉(zhuǎn)速為3 r/min時(shí)截面z=0的面積加權(quán)系數(shù)e分布云圖Fig.8　Distribution cloud figure of the mean weighting coefficient e of area z=0 with drum speed 3 r/min

圖9　滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min時(shí)截面z=0的面積加權(quán)系數(shù)e分布云圖Fig.9　Distribution cloud figure of the mean weighting coefficient e of area z=0 with drum speed 8 r/min

圖10　不同轉(zhuǎn)速葉片沿x軸方向各截面的面積平均加權(quán)Fig.10　The mean weighting of each section along the x-axis of different drum speed

觀察瀝青混合料流場(chǎng)面積平均加權(quán)函數(shù)的分布云圖可以發(fā)現(xiàn)臨近滾筒壁面和螺旋葉片瀝青混合料的加權(quán)系數(shù)e值更大，這說(shuō)明靠近滾筒壁面和葉片的瀝青混合料混合更為均勻攪拌效果更好.因?yàn)樵跐L筒壁面和螺旋葉片的作用下這些區(qū)域的速度梯度較大這與實(shí)際情況相符合.另外這一結(jié)論與某公司養(yǎng)護(hù)車加熱攪拌滾筒的實(shí)際工況相吻合，仿真結(jié)果證明了仿真方法的合理性和有效性，為攪拌滾筒螺旋葉片的設(shè)計(jì)以及滾筒轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)提供了借鑒.

4結(jié)論

1)靠近攪拌滾筒壁面和螺旋葉片的混合料的面積加權(quán)系數(shù)e值較大，即這些區(qū)域的混合料混合均勻性更好，因?yàn)榇颂幩俣忍荻容^大.

2)螺旋葉片結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料的混合均勻性有一定的影響，當(dāng)螺旋葉片螺旋角為67°和68°時(shí)混合料的混合均勻性相對(duì)于當(dāng)螺旋葉片螺旋角為65°和69°時(shí)更好，其中當(dāng)螺旋葉片螺旋角為68°時(shí)混合料的混合均勻性最佳.隨著螺旋葉片螺旋角的增大，混合料的攪拌均勻性逐漸提高，當(dāng)螺旋葉片螺旋角超過(guò)68°時(shí)，混合料的混合均勻性開始降低.

3)當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，瀝青混合料的混合均勻性提升較為明顯，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過(guò)5 r/min后，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，混合料的混合均勻性提升幅度較小.

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(責(zé)任編輯李辛)

Mixing mechanism of asphalt mixing drum

LI Xuan1,MA Deng-cheng1,2,YANG Shi-min1

(1.Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang′an

University,Xi′an 710064,China；2.Xuzhou Group of Engineering Equipments,Xuzhou 221006,China)

Abstract：The asphalt mixture segregation occur easily when asphalt mixture was stirred in the heating roller.The segregation of asphalt mixture reduces the construction quality and road performance of asphalt mixture.The characteristics of asphalt mixture flow in the roller were complex,was difficult to solve by the method of mathematical.A 3D analysis model of asphalt mixture was established in this paper.The mixture model,stand K-epsilon model and MRF model were obtained based on the commercial software Fluent.The influence of different blade and roller speed on the asphalt mixing effect was analyzed based on the mixture theory of mean weighting function of area.Results show that the mixing effect is different between distinct helical blades.Reasonable blade angle can improve the mixing effect of asphalt mixture in certain.The roller speed has considerable influence on the mixing effect of asphalt mixture.The mixing effect of asphalt mixture is poor under the low roller speed.The mixing effect increased with the increase of the roller speed.

Key words：asphalt mixture;segregation;mixing mechanism;numerical simulation

收稿日期：2014-09-03；修回日期：2014-12-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11202036)；陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(2013G1502059).

中圖分類號(hào)：U 415.52+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2015)04-0146-06