沥青发泡本质特征解析下的腔体设计与评价

Foaming Chamber Design and Evaluation Based on the Analysis ofBitumen Foaming Essential CharacteristicsCHENG Haiying ZHANG Yu WANG Anlin3 HE Xiangxin(1.College of Mechanical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 0 1 005 1；2.Colege ofEngineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004；3.Colege of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 20 1 804)Abstract：The phenomenon ofproducing foams from bitumen under a certain condition is caled bitumen foaming process，which isthe coupling efect of the multi-phy sical field and the flow field in a certain volume chamber.The foaming performance is afected bythe control parameters(pressure，temperature and flow)，bitumen physical properties(needle penetration and viscosity)and thestructure parameters of the key device parts(the foam ing chamber structure type and the nozzle size and position).In order to makehigh quality foam ed bitumen，the essential characteristics of bitumen foaming behavior should be folowed.Th us the process controlof the multiphase flow coupling field should be accurately executed.Then the bitumen foaming chamber，a key part of bitumenfoaming device is deeply studied by analyzing the typical structure forms of foaming chamber world-widely.A novel structure form of foaming chamber is put forward.By utilizing the theoretical and experimental research and analyzing the essential characteristicsofbitumen foaming，at the same time，the evaluation indexes ofbitumen foaming in the strong fuzzy coupling field are conclude.Th emappindiscipline between the bitumen foam ing characteristics and the foaming chamber structure is constructed。

Key words：Bitumen foaming cham ber Foaming essential characteristics Foaming mechanism Mapping principleFoaming evaluation0 前言沥青发泡是在特定容积的腔体中发生的，这个腔体称之为发泡腔。沥青发泡腔体的设计是制备高内蒙古自然科学基"(2009MS0711)和建设部研究开发(2007-x225)资助项目。20110717收到初稿，20120328收到修改稿品质泡沫沥青的关键技术之-。沥青发泡是个复杂的物理过程，这个过程涉及直接接触传热、相变、多相流、湍流等前沿领域。沥青发泡过程受流体的物理参数、流动特性以及腔体结构参数等多方面的影响J J，影响结果作用于腔体内部的流场，进而影响着沥青发泡的效果，它们之间相辅相成，互相渗透 。

2012年 7月 程海鹰等：沥青发泡本质特征解析下的腔体设计与评价 153当前，对沥青发泡多采用试验结合统计学规律进行相关分析，回归和拟合来推导机理性结论 J，但从沥青发泡本质与泡沫沥青工程应用的角度上看，上述方法具有-定的局限性与模糊性，在实际装置的研制中无法胜任。因此，如何从流场的耦合效应角度上寻找沥青发泡的规律，是亟待解决的理论问题。事实上，依据当前国内外的研究状态，想要完全解析沥青发泡过程几乎是不可能的，但是，通过构建相关的理论知识，对发泡腔体内部的耦合厨行综合分析建模，采用计算机仿真模拟沥青发泡，基本能够架起 沥青发泡机理”与 泡沫沥青质量”的桥梁。本文立足于沥青发泡装置中关键部件的设计方法研究，并为实际装置的研制提供了必要指导。

1 沥青发泡腔的设计形式沥青发泡腔是非标准件，需要自行设计和研制，设计的好坏直接影响着沥青发泡的效果，因此发泡腔是沥青发泡装置的核心部件，它的合理设计是成功开发沥青发泡装置的基本前提条件。沥青发泡腔主要有以下几种设计形式l。

1.1 混合式发泡腔如图 1所示，沥青 A经导管 2，阀门 3，分配器 4进入简体，并与相反方向经阀门 6，导管 5，分配器 7来的发泡介质 B相遇、对撞、混合，产生泡沫沥青。然后经过滤网8和导管 9流出筒外。这里，沥青分配器 4和发泡介质分配器 7的作用是将沥青和发泡介质进行分散，从而使它们能够均匀混合。

如图 2所示u ，德国专利发泡腔的设计就是基于对撞式原理设计的。

B图 1 混合式发泡腔1.简体 2.沥青导管 3.阀门 4.沥青分配器 5.发泡介质导管6.阀门 7.发泡介质分配器 8.滤网 9.泡沫沥青导管1.2 对撞式发泡腔如图 3所示，发泡介质 B(指水或水蒸气)经过导管 8、阀门l、分配器 2的凶与经过阀门 7、导- 8lI 工 / 1 4图2 德国专利发泡腔1.过滤栅格 2.沥青喷嘴 3.水喷嘴 4.过滤栅格管 6的沥青 A在筒体 4内混合，形成动态的沥青和气体的两相液层，位于液层上方的泡沫沥青从导管3取出。发泡介质分配器 2的作用是将发泡介质进行分散、破碎。滤网 5可将沥青和发泡介质进行再次均匀混合。

A图 3 对撞式 发泡 腔1.阀门 2.发泡介质分配器 3.泡沫沥青导管 4.筒体5.滤网 6.沥青导管 7.阀门 8.发泡介质导管1.3 静力混合式图4是静力混合式发泡腔结构示意图。通过凸缘 1，将连接管套 6与沥青管道连接。管道内的沥青 A流经发泡介质分配器 3，并与从分配器凶流出的发泡介质 B混合，促使沥青发泡，再经过涡流器 4，使沥青与发泡介质混合均匀，形成泡沫沥青。

后者从管道源源不断地流出。图 5所示的美国专利U2]采用的就是这种设计方式。这个发泡腔设计相对复杂，增加了带有桨叶的搅拌器，以促使沥青和发泡介质进-步均匀混合，并增加泡沫沥青出流压力。沥青从管道配件 8进入，经由缸 1l以及喷口l7喷入发泡腔，并与从水管 1进入经由水喷嘴 13，从喷水口 14进入发泡腔的发泡水进行混合、接触、换热、发泡，最后，经由节流口 2，管件 4喷出泡沫沥青。沥青的开和关由推动器 10和推杆 l2进行动作控制。

机 械 工 程 学 报 第 48卷第 13期AB图4 静力混合式发泡腔1.凸缘 2.发泡水导管 3.分配器 4.涡流器 5.导热介质出口管6.连接导管 7.保温壳 8.导热介质进口管1 13图5 美国专利发泡腔1.水管 2.喷口节流口 3.绝缘层 4.管口配件 5.静态搅拌器6.桨叶 7.发泡腔 8.管道配件 9.套环 10.推动器 11.缸12.推杆 13.喷嘴 14.喷水口 l5.锥体 l6.沥青喷口 l7.喷口可见，关于沥青发泡腔体的设计形式和方法各不同〖虑到热沥青是高粘度流体易造成装置堵塞，故本文的沥青喷嘴采用机械式开关形式，而发泡水采用压力式喷射雾化技术，使沥青以及发泡介质(发泡水)通过凶喷射后成为雾状，旧能使沥青和发泡水能够均匀接触、顺利传热，进而提高沥青发泡质量。因此，设计发泡腔首先应该考虑两个入口和- 个出口，即发泡水入口、沥青入口，以及泡沫沥青出口。除此之外，发泡腔体的形式和容积的合理设计也至关重要。

2 沥青发泡腔的设计路线沥青发泡腔 内部流尺有强模糊性和强耦合性，因此，发泡腔的设计必须将计算机技术和计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)方法相结合，计算机技术可以解决发泡腔的内部流场的计算问题，而 CFD方法可以进-步了解和掌握发泡腔内部流动的客观规律，以便进行发泡腔的优化设计。CFD方法是以有限的信息系统来趋近真实的无限信息系统，因此其计算的数学模型、离散化过程、格式、网格生成和边界条件处理等会产生人工误差，从而偏离实际情况。CFD应用的成功与否需要通过试验进行验证，目前 CFD方法的发展可以节省部分研究性试验的工作量，但还不能替代试验，必须与试验相结合才能得到良好的设计效果。在了解发泡腔主要影响因素和基本参数的基础上，建立虚拟模型，通过仿真计算得到设计评价指标和原则，结合试验对沥青发泡的仿真评价指标和原则进行验证。最后，通过在 CFD虚拟模型中修改结构参数，重新计算来获得-个较优的结果，将较优的结果反馈到设计中进行结构修改。

沥青发泡过程技术分解沥青发泡的主要流体是热沥青，发泡介质是冷水。热沥青具有非牛顿流体特性，而水是典型的牛顿流体，二者互不相溶。热沥青和冷水分别由泵提供动力，在各 自的管道中流动，最后经各自喷嘴喷射到沥青发泡腔体中，热沥青和冷水直接接触后，水迅速相变成为水蒸气，发泡腔内压力迅速增加，导致水蒸气被压入到沥青的连续相中，生成微细的泡沫沥青，微小的沥青泡沫被挤出发泡腔后，迅速膨胀成为适合工程应用的泡沫沥青。

根据前期的研究发现，若要制备工程化质量的泡沫沥青，设计发泡腔时需要明确以下影响沥青发泡效果的关键点：① 沥青发泡的效果与发泡腔的型式和容积有关；② 沥青发泡腔的进、出口尺寸和位置也会对沥青发泡效果造成影响；③水的相变率和腔体耦合场的压力是影响沥青发泡的直接因素。

4 沥青发泡过程建模与解析4.1 沥青发泡过程建模沥青发泡是-个极其复杂的物理过程，涉及多相流体的喷射、牛顿流体与高粘度流体的混合、传热、相变以及气泡与自由界面相互作用的运动规律。

这是多学科多领域相互融合的课题，需要进行长期研究。然而，我国道路大规模的修复期已经逼近，对沥青发泡装置的需求已经是燃眉之急，发泡腔作为沥青发泡装置的关键部件，设计开发已刻不容缓。

为了寻找到发泡腔的设计规律，本文采用简化的多相流模型近似的模拟沥青发泡过程，寻找发泡腔初步的设计规律，再结合试验研究予以验证和纠正，进而实现发泡腔结构的设计。

2012年 7月 程海鹰等：沥青发泡本质特征解析下的腔体设计与评价 155由于沥青发泡的过程中，热沥青与冷水相遇后各物理量(如速度、压力、温度)随时间发生变化，故沥青发泡过程属于非定常流动，并且是气液多相流，主相是压缩空气相，次相为沥青相、水相以及相变之后产生的水蒸气相。由于在沥青发泡过程中，热沥青和冷水直接接触传热，会引起温度变化，进而引起沥青动力粘度的变化，故该过程涉及了牛顿流体转化为非牛顿流体，但是，由于两相流体混合后温度仍保持在 130℃以上，沥青粘度在 130℃以上变化不大，所以，在数值模拟中可忽略这个微小的变化。另外，计算中假定各相流体密度不变，故各相流体属于不可压流体范畴。发泡腔内部耦合流场直接影响沥青发泡效果，因此，将腔体内部作为流称算区域进行网格划分，而且对沥青入口、发泡水入口以及泡沫沥青出口增加网格密度，以速度入 口和自由流出口作为边界条件，对腔体内部流场与发泡效果之间的相关性进行趋势性分析〃立控制方程 如下a(Pro)V·( v ) m (1)a ÷(pray )V·( ， V )- Vp .[ (Vv V )]Fpmg， 、·l∑∑c PkV ， ， I (2)、 kl /∑( )V·2(kVk(PkEk )V·( V 71)羔∑( )V·∑( ( p)·(kerVT)SE (3)a 素( )V·( p v)-V·(， ) (4)，， -L kPkVk ：v 上 - - ～ I pm 1'， ～ p-g '， -'， ：∑ /-tkkl- 喜 Vqpz'qpa臣 - 2圭 丢式中 --质量平均速度- - 混合密度- - 第k相的体积分数m--质量传递- - 相数F--体积力- - 混合粘性系数- - 第二相k的飘移速度- - 有效热传导率- - 漂移速度- - 相对速度- - 粒子的弛豫时间a--二相粒子的加速度d --第二相颗粒(或液滴或气泡)的直径- - 曳力函数而对不可压缩相， hk，这里 为第k相的显焓。

4.2 沥青发泡过程评价与解析具有-定压力的热沥青、冷水以及压缩空气喷射至-定容积的发泡腔内，在发泡腔内形成复杂的流场，达到-定条件时，沥青就会产生微细的泡沫，从腔体中喷出之后便会急剧膨胀，形成非稳定状态下的泡沫沥青。那么，在发泡腔中应该达到什么条件才会形成泡沫沥青，这是难以数值化的概念，具有很强的模糊性。通过对沥青发泡原理的深入理解和设备研发体会，本文初步建立发泡腔设计的评价机制如下。

1)在发泡腔内部，热沥青和冷水应尽量充分均匀接触，这利于热沥青和冷水问传热进程，水尽快并完全地发生相变，促使腔体内压力迅速增高，使水蒸气等冲破沥青相的表面张力，并压入到沥青连续相，形成微细的沥青泡沫。喷射角度、喷口尺寸以及腔体容积等参数的综合设计是解决这个问题的关键。

(2)各流体相的喷射压力、流量影响发泡腔体内部流愁合的效果，而泡沫沥青的出口尺寸对腔体内部流场压力和泡沫沥青出流速度影响最大。发泡腔内的流场压力远高于大气压，且压力分布尽量均匀，这对保障沥青发泡质量有效。

(3)发泡腔体的形式(包括形状，尺寸和相对位置等几何因素)影响发泡腔内部微流体的流动状态，速度分布和温度分布等，从而导致换热规律不同。

流场的均匀性要求发泡腔体呈现圆弧形状，避免形成大的涡流。沥青发泡质量是发泡腔内部工作压力的函数。

综上所述，沥青发泡腔体的设计与很多参数相关，沥青发泡的效果是所有相关参数设计综合后的2012年 7月 程海鹰等：沥青发泡本质特征解析下的腔体设计与评价 159图 12c是最终方案发泡腔制备的泡沫沥青，膨胀率17倍，半衰期 22 S，优于国家公路沥青路面再生技术规范(JTG41-2008)的技术性能要求(膨胀率不小于 l0倍，半衰期不小于 8 s)。

5 结论(1)沥青发泡的效果与发泡腔的容积有关，泡沫沥青的复合性能与沥青发泡过程中腔体内部的压力具有直接相关性。

(2)发泡水的雾化颗粒大小与沥青发泡效果具有相关性。但是，当发泡水雾化到足够小的颗粒之后，发泡水的雾化颗粒大小对沥青发泡效果的影响度变校(3)发泡水喷口尺寸、角度、位置均会对沥青发泡效果造成-定影响，设计时应结合沥青发泡过程中耦合场的综合压力和流速进行综合设计。