泡沫沥青混合料搅拌机的数值模拟

时间:2017-7-28 9:13:00 来源:本网 添加人:admin

  随着我国公路交通事业的蓬勃发展,我国高速公路总里程已经跃居世界第2位,目前,半刚性基层沥青路面仍是我国道路的主要结构形式,随着交通量的不断增大,车辆载荷的重型化,我国的交通运输呈现‘’大流量、重载和渠化交通“的特点。随着路龄的增长,沥青逐渐老化,沥青混凝土的抗车辙能力、抗温度裂缝能力、抗疲劳破坏能力、抗松散能力都逐渐减弱。而泡沫沥青较普通沥青有其优越性,所以文章采用泡沫沥青混合料铺路,提高路面承载能力。

  在高温沥青中喷入少量冷水和压力空气,由于水的汽化,高温沥青就会产生细小的泡沫,从而体积膨胀,使沥青表面积增加,体积膨胀数倍至数十倍,此时沥青的物理性质就会暂时发生变化,1min后沥青又恢复原状,沥青表面积膨胀后黏度出现降低的情况,可以方便地与湿骨料实现均匀拌合,这种沥青即称为泡沫沥青。泡沫沥青混合料,仅需加热沥青,集料等不需加热和烘干,就可以与冷湿集料拌合均匀,而不必像乳化沥青那样要经过额外的乳化加工。

  实现搅拌机内部流动的模拟对于搅拌机的优化设计有着极其重要的意义,由于目前针对泡沫沥青与混合料的搅拌机器很少,结合双卧轴混凝土搅拌机的开发设计,设计出适用于泡沫沥青的搅拌机,因为搅拌筒的外形、搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角度、单轴搅拌臂的相位角、搅拌叶片的排列方式都影响搅拌机的搅拌效果,为使此搅拌机的设计更加合理,运行情况更加稳定,深入了解泡沫沥青混合料搅拌机运行过程中的压力分布、湍流强度及速度分布情况就显得尤为重要。Fluent软件能够模拟流体流动时内部压力场及湍流强度场。文章运用Fluent软件对泡沫沥青混合料搅拌机内部流体情况做了模拟与相图分析,以便对泡沫沥青混合料搅拌机的进一步研究提供必要的理论依据。

  1结构形式的确定1.1双轴搅拌臂相位及排列形式双轴搅拌臂的相位及排列形式是影响泡沫沥青混合料搅拌质量的首要因素,文章中单轴上两相邻搅拌臂的相位角为45,两搅拌臂之间交错排列,当左搅拌轴的返回叶片与纵轴线逆时针成45角时,而右搅拌轴的返回叶片与纵轴线顺时针成45角即为交错排列,单置式双轴排列形式有3种,包括正正排列、正反排列、反反排列,对于单轴反排列的规定是:当顺着拌合料流动方向看,搅拌臂排列的相位方向应与搅拌轴转向相同,相反的情况为正排列5,文章以反反、正正排列为例进行仿真分析。

  1.2叶片安装角与围流思想长安大学冯忠绪对搅拌机的主要参数及搅拌臂的料流排列进行了深入的研究。重新分析了搅拌叶片的安装角,利用正交试验对,并根据两轴搅拌臂的排列形式及其叶片的安装形式不同,提出了物料围流的和对流的运动思想。围流是在搅拌轴的转动下,右旋转轴上的叶片推动混合料沿轴向朝一个方向运动,右轴上的边叶片将物料推向左旋转轴,左旋转轴的叶片推动混合料沿轴向朝另方向运动。左轴上的边叶片把物料从左轴又转送到右轴,从而使混合料完成个大循环运动。对流是在搅拌轴的转动下,混合料在叶片轴向力的推动下由搅拌机两端向筒体的中部运动,并形成堆积,当转速过大时有的物料就会飞溅出来。对比两种搅拌臂的排列时物料产生的循环轨迹观察,搅拌臂的叶片采用围流排列较为合理7.中箭头指向为混合料流动方向,左旋转轴逆时针旋转,右旋转轴顺时针旋转。

  叶片安装角文章有关选择搅拌叶片的安装角度为45,搅拌臂排列方式为围流,两轴搅拌臂交错布置,单轴上相邻两搅拌臂相位为45,8个搅拌臂周向布满一周,通过对单置式双卧轴间歇式泡沫沥青搅拌机的零部件的运动关系的几何分析,分别建立反反、正正两种排列形式的三维建模如所示。

  2搅拌机内部流场网格的生成将两种几何模型分别导入Gambit软件进行网格划分,网格形式采用Tet/Hybrid混合四面体网格,网格尺寸20,反反排列模型与正正排列模型网格总数分别为322881,317447,在边界条件选项中将左、右两搅拌轴分别设置为wall4eft,wall-ight,两排列模型网格如所示。

  3.1模型选择与边界条件流动系统中物质的相态多于2个,则称为多相流,多相流模型包含VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型3种,从计算时间和计算精度上考虑Eulenan模型通常比Mixture模型能给出更的结果,且该模型可以单独计算各相物质,每相物质分别用自身的方程进行计算。所以文章选用欧拉模型(Eulerian)求解8,搅拌轴转速n =47r/min,叶片线速度v 3.2物料区域文章设置空气、沥青、细砂石、粗砂石4相物质,phase),各相物质所加区域的初始相图(phases)如所示。

  中包含红色和蓝色两个区域,红色表示物料在该区域所占的体积分数为100,说明物料添加成功,蓝色表示物料在该区域所占的体积分数为0,次只能显示一相物质。

  3.3流场计算结果后处理与分析边界条件设置完毕后,进行迭代计算。迭代的初始值设定为1000步,时间步长为0.1,从的残差曲线图可以看出:反反排列模型迭代5 750步收敛,正正排列模型迭代1435步收敛,收敛精度为10 3.反反排列收敛步数约为正正排列的4倍,说明欲达到相各相物质所加区域同搅拌效果正正排列比反反排列搅拌时间短、效率高。

  应用Fluent软件对泡沫沥青混合料搅拌机的内部流场进行数值模拟,搅拌箱体内的混合料搅拌后的相图如所示,从图中可以看出搅拌箱体内部流场是种十分明显的湍流流场,搅拌轴转动时,由于叶片对物料的挤压,几种不同的物料开始流动并混合,由相图颜色对应的百分比可看出4种物料基本混合均匀,相图左侧比例尺由蓝色红色表示显示物料占总物料的百分比由0―100,红色表示物料在该区域内所占百分比高,蓝色代表百分比低,分别在z =-200mm两个方向建立两个面将搅拌箱体割开,观察搅拌箱体内部物料混合是否均匀。上下两图分别为反反排列和正正排列的沥青相图,如所示。

  z=0mm处截面:该截面与搅拌箱体两端面平行,且在搅拌筒中间位置与轴垂直剖切,a中箱体内颜色上下分层明显,说明反反排列模型使物料集中在箱体的下部,且沥青在箱体的左下方有严重堆积,混合不z=0截面的沥青相图均匀,6b图中颜色均匀,搅拌箱体内大部分为淡蓝色,对应比例尺上的颜色可知沥青含量在3.297.96范围内,符合级配比要求,说明正正排列模型使物料混合均匀。

  y=-200mm截面的沥青相y=-200mm处截面:该截面在与两搅拌轴所处平面平行且位于搅拌轴下方-200mm处剖切,a颜色较深,说明显示物料所占百分比高,沥青在该区域所占百分比9.520.4,高于级配比,说明物料堆积在箱体的下部,混合不均匀,b中颜色均匀,搅拌箱体内大部分为淡蓝色,对应比例尺上的颜色可知沥青含量2.28.02范围内,符合级配比要求,只有局部区域有少量堆积,不影响分析结果,说明物料混合均匀9.是两搅拌轴表面的压力分布云图,从8a图可看出箱体内压力由搅拌轴中心至叶片端部逐渐增大,处于下方的叶片尖角处压力大为2.28X103,但上方叶片所受压力较小,使模型受力不均。从b中可看出搅拌叶片表面所受压力分布均匀,压力值为3.12x102,但局部由于物料与叶片冲击造成压力集中,大值达到1.73x104.3.3.3拌箱体内流场的速度矢量图分析-200mm处截面的沥青速度矢量图(Vectors):箭头方向代表混合料速度方向,箭头颜色代表速度大小10,搅拌机在设计工况下运行时,搅拌箱体内部总体的流动趋势良好,无明显的流动分离,a,9b分别为反排列和正排列y=-200mm处截面的剖切面的俯视投影图,从b中箭头方向看搅拌箱体内物料实现围流。由箭头分布可得出反排列围流不明显,正排列围流明显,左图中物料流动速度在470.75m/s范围内,右图中物料流动速度在112.41m/s范围内,说明正排列模型比反排列模型物料流动速度大,搅拌效率高,由箭头的颜色可知右5的速度约在1.4m/s,与设计的叶片端部的线速度v =1.4m/s相符,极小部分大速度值达到4. 7m/s,说明物料对搅拌箱体冲击时速度的突变,分析结果与理论值相符。

  4结语在Fluent环境下,对泡沫沥青混合料搅拌机内部混合料进行了数值模拟,对两种排列模型做了对比分析,揭示了搅拌机内部流场的流动规律。由数值计算结果的得出以下几点结论。

  由速度矢量图可得出:混合料在箱体内形成围流,搅拌箱体内部总体的流动趋势良好,无明显的流动分离;且混合料在正正排列模型中比在反反排列模型中围流明显。

  由压力云图可得出:正正排列模型中搅拌轴受力均匀,反反排列模型中上方叶片较下方叶片所受压力小,说明该模型中物料沉积在箱体下方,各物料混合不均。

  由残差图可得出:正正排列模型比反反排列模型搅拌效率高。为指导设计提供理论依据。

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