泡沫沥青洒布车沥青喷嘴喷洒工艺参数仿真研究∗

张 斐姚 阳

（1.陕西警官职业学院警察技术系 西安 710021）（2.长安大学工程机械学院 西安 710064）

泡沫沥青洒布车沥青喷嘴喷洒工艺参数仿真研究∗

张 斐1姚 阳2

（1.陕西警官职业学院警察技术系 西安 710021）（2.长安大学工程机械学院 西安 710064）

论文利用FLUENT软件建立仿真模型对泡沫沥青洒布车喷嘴喷洒工艺进行仿真研究，首先预设泡沫沥青膨胀率的目标值确定了泡沫沥青温度和用水量等参数，并建立泡沫沥青洒布车在不同喷洒压力下的三种沥青喷嘴的三维模型，确定泡沫沥青喷洒效果最好的喷洒压力、沥青喷嘴结构等工艺参数，最后求出泡沫沥青洒布车喷嘴数目和喷嘴离地间距。

沥青喷嘴；喷洒工艺；仿真研究

1 引言

沥青洒布车是一种沥青路面养护机械，它将高温液态沥青自动喷洒到路面进行筑养路工作，由于沥青发泡技术比较成熟，沥青洒布车的洒布材料逐渐由改性沥青和乳化沥青向泡沫沥青方向发展。沥青喷嘴是沥青洒布车作业装置关键的组成部分，其性能的优劣直接影响沥青洒布车的工作性能。而沥青喷嘴的工艺参数是确定洒布管高度、喷嘴间距和喷洒压力的重要依据。因此研究泡沫沥青洒布车沥青喷嘴工艺参数具有重要意义。

为此，很多学者对沥青喷嘴技术进行了很多研究。文献［1］中对沥青喷嘴的结构参数进行了流场分析和优化；文献［2］中利用CFD软件对几种型号的沥青喷嘴进行了数值模拟研究及优化设计；文献［3］中以收缩性喷嘴为研究对象，利用ANSYS FLUENT软件进行流场分析，得到沥青喷嘴的喷洒速度、压力和湍流动能的分布规律；文献［4］中建立了不同直径沥青喷嘴的三维模型，利用ANSYS FLUENT软件进行仿真；文献［5］中利用ANSYS FLUENT软件，进行了单孔圆形喷嘴射流冷却带钢的数值模拟研究；文献［6］中利用CFD方法分析了沥青从喷嘴喷洒到空气中的速度场和压力场的分布规律。以上研究的沥青喷嘴多用于喷洒改性沥青或乳化沥青，而对喷洒的泡沫沥青喷嘴研究甚少，并且对泡沫沥青喷嘴的工艺参数也未提及。

基于此，本文利用流体力学软件FLUENT确定泡沫沥青温度和用水量等参数，并建立泡沫沥青洒布车三种沥青喷嘴的三维模型，对单喷嘴喷洒过程进行FLUENT流场仿真，确定泡沫沥青喷洒的喷洒压力、沥青喷嘴结构等工艺参数。

2 沥青发泡腔模型的建立

利用solidworks软件建立如图的沥青发泡腔模型。将模型导入SNSYS中进行网格划分，如图3所示，共划分了149783个节点和516974个单元，最大网格单元片斜率为0.89，网格质量理想。

图1 沥青发泡腔模型

图2 沥青发泡腔的网格

3 沥青发泡过程膨胀率的计算

沥青发泡过程仿真模型是以沥青发泡腔出口处管道横截面的体积流量与沥青入口处体积流量的比值作为膨胀率，以比值最大值到减小为最大值的一半的时间作为半衰期。

沥青材料的参数如表1所示。沥青的粘度随着温度的变化而改变，沥青的粘度随温度的改变是分段线性变化的，沥青粘温特性曲线如图3所示，当温度低于393.15K（120℃）时，沥青粘度随着温度的降低急剧增大。

表1 沥青材料参数

沥青温度160℃，含水量2%的泡沫沥青沿沥青喷出距离的各截面膨胀率的变化趋势如图4所示，泡沫沥青的最大膨胀率为9.4751；沥青温度为130℃，含水量2%的泡沫沥青沿沥青喷出距离的各截面膨胀率的变化趋势如图5所示，泡沫沥青的最大膨胀率为6.577。如图3，当沥青温度低于120℃时，沥青的粘度急剧增加，流动性变差，因此，为满足泡沫沥青的膨胀率大于6且发泡条件最经济的要求，则沥青温度控制在130℃左右比较合适。设定沥青温度为130℃，含水量分别为1.5%，2%，2.5%，3%，得到如表2所示膨胀率。

图3 沥青黏温特性曲线

图4 沥青温度160℃，含水量2%时沥青喷出距离与膨胀率的关系

图5 温度为130℃，含水量2%的沥青喷出距离与膨胀率的关系

表2 不同用水量条件下的膨胀率

在目前的沥青发泡技术中，发泡用水量一般取1%～3%，为满足泡沫沥青的膨胀率大于6，用水量应取2%～3%。

4 沥青喷嘴喷洒工艺参数计算

沥青喷嘴喷洒的工艺参数主要包括沥青喷嘴间距、喷洒压力和喷嘴离地高度等。目前沥青洒布车常用的喷嘴间距为 100mm～150mm［7］，常用喷洒压力为0.033MPa～0.8MPa，常用喷嘴离地高度为250mm～300mm。本文利用FLUENT软件对泡沫沥青洒布车的喷洒过程进行仿真，选择出合适的沥青喷嘴喷洒的工艺参数。以喷嘴喷洒扇面速度和出口横截面密度的均匀性来定性评价泡沫沥青喷洒效果。

4.1 沥青喷嘴开口型式选择

根据目前各生产厂家的沥青喷嘴，选用V形单槽平头、直线形单槽平头和V形单槽球头三种结构型式［8］，并在solidworks中分别建立了三种结构的三维模型，并导入ANSYS中进行网格划分，结果如图6所示。

图6 三种喷嘴结构的网格划分

4.2 沥青喷嘴结构参数选择

本文中沥青喷嘴间距选择100mm、125mm和150mm三种尺寸作为仿真参数［9］，喷洒距离与单喷嘴喷洒流量、喷洒角的关系如表3所示，常用喷洒角在括号内给出。

表3 喷嘴间距和单喷嘴喷洒流量、喷洒角的对应关系

4.3 不同喷洒压力时喷洒状态仿真

当喷嘴间距为100mm时，计算在喷洒压力为0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa时沥青喷嘴的喷洒扇面速度和出口横截面密度。

1）V型平头喷嘴

取喷嘴压力分别为0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa时，其喷洒扇面速度云图和出口横截面密度云图如图7～9所示。由喷洒扇面速度云图可知，随着喷洒压力的升高，喷洒扇面内速度越来越大且越来越均匀，喷洒扇面之外的速度飞溅逐渐减少。由出口横截面密度云图可知，随着喷洒压力的升高，喷嘴出口横截面内的泡沫沥青密度变化不大且较均匀，满足喷洒要求，因此，验证了喷洒压力在0.033MPa～0.8MPa之间是合理的。

2）V型球头喷嘴

取喷嘴压力分别为0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa时，其喷洒扇面速度云图和出口横截面密度云图如图10～12所示。由喷洒扇面速度云图可知，随着喷洒压力的升高，同样V型球头喷嘴喷洒扇面内速度越来越大且越来越均匀，喷洒扇面之外的速度飞溅减少。由出口横截面密度云图可知，随着喷洒压力的升高，喷嘴出口横截面内的泡沫沥青密度变化不大且较均匀，满足喷洒要求，验证了喷洒压力在0.033MPa～0.8MPa之间是合理的。

图7 0.033MPa时V型平头喷嘴

图8 0.4MPa时V型平头喷嘴

图9 0.8MPa时V型平头喷嘴

图10 0.033MPa时V型球头喷嘴

图11 0.4MPa时V型球头喷嘴

3）直线型平头喷嘴

取喷嘴压力分别为0.033MPa、0.4MPa和0.8MPa时，其喷洒扇面速度云图和出口横截面密度云图如图13～15所示。由喷洒扇面速度云图可知随着喷洒压力的升高，直线型平头喷嘴喷洒扇面内速度越来越大且越来越均匀，喷洒扇面上半部分两侧的速度越来越小，下半部分两侧速度不均匀的区域越来越紧缩。由出口横截面密度云图可知，随着喷洒压力的升高，喷嘴出口横截面内的泡沫沥青密度越来越均匀，满足喷洒要求，验证了喷洒压力在0.033MPa～0.8MPa之间是合理的。

图13 0.033MPa时直线型平头喷嘴

在相同压力下，对比不同类型喷嘴的喷洒扇面速度云图发现，直线型平头喷嘴的速度均匀性最好。对比出口横截面密度云图发现，V型平头喷嘴和V型球头喷嘴出口横截面上中心区域密度均匀性较好，但边缘区域均匀性较差，而直线型平头喷嘴中心区域和边缘区域密度均匀性都较好。另外多重叠洒布时，沥青喷嘴喷洒到地面上形成的形状为细长的椭圆形，直线型平头喷嘴出口处横截面形状更加符合要求。因此三种沥青喷嘴中直线型平头喷嘴喷洒效果最好。

图14 0.4MPa时直线型平头喷嘴

图15 0.8MPa时直线型平头喷嘴

图16 喷嘴间距为100mm时直线型平头喷嘴

4.4 不同喷洒间距时喷洒状态仿真

当喷洒压力为0.5MPa时，喷嘴间距为100mm、125mm、150mm、160 mm的喷洒扇面速度云图和出口横截面密度云图如图16～19所示。从图16～18所示，对比速度云图可以看出，随着喷嘴间距的增大，喷洒扇面内的速度均匀性越来越好，喷洒扇面下半部分两侧速度不均匀的区域越来越紧缩；对比出口横截面密度云图可以看出，喷洒出口横截面内的密度均匀性不断提高。当改变喷嘴间距为160mm时，如图19所示，从喷洒扇面速度云图中可看出喷洒扇面内速度发生了偏移现象，速度分布很不均匀。从出口横截面密度云图可看出，泡沫沥青密度分布向一侧偏移，导致一侧密度大，一侧密度小，总体均匀性较差。

图17 喷嘴间距为125mm时直线型平头喷嘴

图18 喷嘴间距为150mm时直线型平头喷嘴

图19 喷嘴间距为160mm时直线型平头喷嘴计算云图

因此，随着喷嘴间距的增大，沥青喷嘴喷洒扇面内的速度分布和出口横截面的密度分布呈现先变好再变差的趋势，当沥青喷嘴间距为150mm左右时，沥青喷嘴喷洒均匀性最好。

4.5 沥青喷嘴工艺参数计算

由前得当沥青喷嘴间距为150mm时，喷洒效果较好，则取沥青喷嘴间距为150mm，可得沥青喷嘴个数m为

式中：B 为洒布宽度，m；L为喷嘴间距，m［10］。

由表4可知，当沥青喷嘴间距为150mm时，喷洒半角α为40°。当沥青喷嘴安装旋转角 β为20°时，得沥青喷嘴离地高度H为

5 结语

1）根据泡沫沥青膨胀率和粘度的关系曲线，预设泡沫沥青膨胀率的目标值为6，在满足膨胀率目标值且最经济的沥青温度值为130℃左右，含水量为2%～3%。

2）在不同喷洒压力下，三种类型沥青喷嘴的喷洒状态仿真结果得出喷洒压力的合理范围，在相同喷洒压力下，直线型平头喷嘴喷洒效果最好；当喷洒压力为0.5MPa时，仿真结果得出喷嘴间距为150mm时喷洒均匀性最好；并求出泡沫沥青洒布车喷嘴数目和喷嘴离地间距。

［1］王毅，曾良才，陈新元，等.高压除鳞喷嘴流场三维数值模拟与仿真分析［J］.武汉科技大学学报（自然科学版），2007，30（6）：3-4.WANG Yi，ZENG Liangcai，CHEN Xinyuan，et al.Numerical simulation and analysis of internal flow field in high-pressure descaling nozzle［J］.Journal of Wuhan University of Science&Technology（Natural Science Edition），2007，30（6）：3-4.

［2］王龙，窦保杰.基于FLUENT的轧制吹扫喷嘴的数值模拟［J］.有色设备，2009（1）：13-16.WANG Long，DOU Baojie.Numerical Simulation of Purging Nozzle for Rolling Based on FLUENT［J］.NonFerrous Metallurgical Equipment，2009（1）：13-16.

［3］周章根，马德毅.基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟［J］.机械制造与研究，2010，39（1）：61-62.ZHOU Zhanggen，MA Deyi.Numerical Simulation of High-pressure Jet Nozzle Based on Fluent［J］.Machine Building&Automation，2010，39（1）：61-62.

［4］付曙光，曾良才，张小明，等.基于Fluent的高压除鳞喷嘴湍流仿真模型［J］.武汉科技大学学报（自然科学版），2007，30（2）：171-173.FU Shuguang，ZENG Liangcai，ZHANG Xiaoming，et al.Simulation Modelofhigh-pressureDescalingNozzle Based on Fluent［J］.Journal of Wuhan University of Science&Technology（Natural Science Edition），2007，30（2）：171-173.

［5］向锡炎，周勇，李静松.单孔圆形喷嘴射流冷却带钢的数值模拟研究［J］.热处理，2010，25（3）：44-47.XIANG Xiyan，ZHOU Yong，LI Jingsong.Numerical Simulation of Cooling Strip Steel in Fluid from Single-jet Nozzle［J］.Heat Treatment，2010，25（3）：44-47.

［6］朱学彪，陈奎生，王毅，等.高压除磷喷嘴喷射流场数值模拟与试验分析［J］.机械设计与制造，2009（5）：217-219.ZHU Xuebiao，CHEN Kuisheng，WANG Yi，et al.The Simulation and Experimentalstudyon JetField of high-prenssure Nozzle for Phosphorus［J］.Machine Building&Automation，2009（5）：217-219.

［7］焦生杰，顾海荣.沥青洒布车及其控制技术现状［J］.筑路机械与施工机械化，2007，24（1）：1-4.JIAO Shenjie，GU Hairong.Asphalt Distributor and Control Technology［J］.Road Machinery& Construction Mechanization，2007，24（1）：1-4.

［8］焦生杰，刘志敏，胡丕銮.智能型沥青洒布车洒布质量控制方案的确定［J］.筑路机械与施工机械化，2005，22（2）：29-31.JIAO Shenjie，LIU Zhiming，HU Piluan.Determination of control schemes of spraying quality for intelligent asphalt distributor［J］.Road Machinery&Construction Mechanization，2005，22（2）：29-31.

［9］李炯.关于后置发动机式沥青洒布车几个重要技术参数的确定［J］.工程机械，1993（10）：24-26.LI Jiong.Determination of Several Important Technical Parameters of Post-engine Asphalt Sprinkler［J］.Construction Machinery and Equipment，1993（10）：24-26.

［10］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.HAN Zhanzhong，WANG Jin，LAN Xiaopin.Example and Application of FLUENT Fluid Engineering Simulation［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2004.

Simulation Study on the Process Parameters of Asphalt Foaming System of Foam Asphalt Distributor

ZHANG Fei1YAO Yang2
（1.Department of Police Technology，Shaanxi Police College，Xi'an 710021）
（2.School of Construction Machinery，Chang'an University，Xi'an 710064）

Simulation model of foam asphalt spreader nozzle spray process is simulated by using FLUENT，first of all the foam asphalt expansion rate is preset to determine the target values of foamed asphalt and water temperature and other parameters，and the foam asphalt distributor three-dimensional models of three kinds of asphalt spraying nozzle pressure under different spray are established.The process parameters of foam asphalt spraying best effection are determined by pressure，structure of asphalt spray nozzle.Finally，the foam asphalt spreader nozzle number and nozzle distance from the ground is calculated.

asphalt nozzle，spraying process，simulation study

TP319

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.033

Class Number TP319

2017年3月8日，

2017年4月22日

国家自然科学基金项目“基于层次堆聚理论的并联机器人动力学建模与约束更随控制方法研究”（编号：51605038）；“深变环境对大深度油压源动力特征的作用机制及迁移规律研究”（编号：51509006）；陕西省教育厅专项科研计划项目（编号：14JK2023）；陕西省自然科学基金项目“旋挖钻机钻杆振动机理及振动能量转迁耗散规律研究”（编号：2017JQ5081）资助。

张斐，男，硕士研究生，讲师，研究方向：计算机工程软件仿真。姚阳，男，研究方向：工程机械。