考虑黏变与相变的泡沫沥青喷洒装置优化设计

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240300

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (4): 81-89.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240300

考虑黏变与相变的泡沫沥青喷洒装置优化设计

程海鹰, 李楠希, 马登成, 吴文霞

^1.长安大学工程机械学院，陕西西安 710064
^2.高速公路筑养装备与技术教育部工程研究中心，陕西西安 710064

收稿日期:2024-06-11 出版日期:2025-04-25 发布日期:2024-10-25
通信作者: 马登成（1981—），男，博士，副教授，主要从事公路养护及沥青路面再生技术装备开发与优化。 E-mail:chychdktz@163.com
作者简介:程海鹰（1973—），女，博士，教授，主要从事筑养路高端装备优化设计研究。E-mail： chy@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(52065051);陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JZ-26);陕西省秦创原引用高层次创新创业人才项目(QCYRCXM-2022-25);长安大学中央高校基本科研业务费资助项目(300102254301)

Optimized Design of Foamed Asphalt Spraying Device Considering Viscosity Change and State Change

CHENG Haiying, LI Nanxi, MA Dengcheng, WU Wenxia

^1.School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China
^2.Engineering Research Center of Ministry of Education of Construction and Maintenance Equipment and Technology of Expressway，Xi’an 710064，Shaanxi，China

Received:2024-06-11 Online:2025-04-25 Published:2024-10-25
Contact: 马登成（1981—），男，博士，副教授，主要从事公路养护及沥青路面再生技术装备开发与优化。 E-mail:chychdktz@163.com
About author:程海鹰（1973—），女，博士，教授，主要从事筑养路高端装备优化设计研究。E-mail： chy@chd.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52065051);the Natural Science Basic Research Program of Shaanxi Province(2022JZ-26)

摘要/Abstract

摘要：

冷再生机作为沥青路面再生施工的关键设备，能够实现就地再生，提高施工效率。冷再生机在喷洒泡沫沥青时，存在喷口容易积聚沥青且各喷口流量不均的问题。为解决上述问题，需提升泡沫沥青喷口压力减少沥青积聚，均衡各个喷口流量。该文从沥青发泡行为本质出发，在多相流混合理论的基础上，考虑沥青发泡过程中沥青黏变与水的相变，将沥青的黏温特性函数与水的相变函数引入计算模型，对流体体积（VOF）模型进行修正，建立沥青发泡行为控制模型。其次，数值模拟沥青发泡过程中的喷口压力与流量，并与实验进行对比，得到该沥青发泡行为控制模型在喷口压力与流量方面的误差分别为9.2%、7.7%。最后，在上述沥青发泡行为模型的基础上，构建关于泡沫沥青喷洒装置的数值仿真模型，按照设计的实验方案数值模拟泡沫沥青喷洒过程。根据模拟结果，在Isight平台中构建Kriging代理模型，进而建立以提升喷口压力、减小各喷口质量流量差为目标的多目标优化模型，并运用NSGA-Ⅱ算法对构建的多目标优化模型进行求解。最终，得到Pareto解集并对其进行分析。结果表明，当沥青管径为0.74a、发泡水管径为0.58b、泡沫沥青喷口直径为0.6c、泡沫沥青喷口个数为d时，泡沫沥青喷洒装置性能最优。在考虑沥青发泡行为特点的前提下，通过提升喷口压力，均衡各个喷口流量，提升了泡沫沥青喷洒装置性能。

关键词: 泡沫沥青, 喷洒装置, 多相流, VOF模型, 多目标优化

Abstract:

As the key equipment of asphalt pavement regeneration construction, the cold recycling machine can realize cold in-place recycling and improve the construction efficiency. The cold recycling machine faces the issue of asphalt accumulating easily at the nozzle when spraying foamed asphalt, as well as uneven flow rates across the nozzles. To solve the above problems, it is necessary to increase the pressure of foamed asphalt nozzle to reduce asphalt accumulation and balance the flow of each nozzle. This article first started from the essence of asphalt foa-ming behavior, and based on the multiphase flow mixing theory, considered the viscoelasticity of asphalt and phase changes of water during the asphalt foaming process. The viscosity-temperature characteristic function of asphalt and the phase change function of water were introduced into the calculation model to modify the fluid volume (VOF) model and establish a control model for asphalt foaming behavior. Next, numerical simulations were conducted and the results were compared with experimental data. It was found that the errors of the asphalt foaming behavior control model in terms of nozzle pressure and flow rate were 9.2% and 7.7%. Based on the aforementioned asphalt foa-ming behavior model, a numerical simulation model for the foamed asphalt spraying device was then constructed, simulating the foamed asphalt spraying process according to the designed experimental scheme. Based on the simulation results, a Kriging surrogate model was constructed on the Isight platform, and a multi-objective optimization model was established with the goal of improving outlet pressure and reducing the mass flow rate difference of each nozzle. The multi-objective optimization model was solved by the NSGA-Ⅱ algorithm. Finally, a Pareto solution set was obtained and analyzed. The results show that when the asphalt pipe diameter is 0.74a, the foaming water pipe diameter is 0.58b, the foamed asphalt nozzle diameter is 0.6c, and the number of foamed asphalt nozzles is d, the performance of the foamed asphalt spraying device is optimal. By considering the characteristics of asphalt foaming behavior, the performance of the foamed asphalt spraying device is enhanced by adjusting the nozzle pressure and balancing the flow rates across the nozzles.

Key words: foamed asphalt, spraying device, multiphase flow, VOF model, multi-objective optimization

中图分类号:

U414

程海鹰, 李楠希, 马登成, 吴文霞. 考虑黏变与相变的泡沫沥青喷洒装置优化设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(4): 81-89.

CHENG Haiying, LI Nanxi, MA Dengcheng, WU Wenxia. Optimized Design of Foamed Asphalt Spraying Device Considering Viscosity Change and State Change[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(4): 81-89.

图/表 12

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参考文献 26

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计算域	所属边界	边界类型
热沥青入口计算域	热沥青入口边界	速度进口
热沥青入口计算域	热沥青流动壁面边界	壁面
发泡水入口计算域	发泡水入口边界	速度进口
发泡水入口计算域	发泡水流动壁面边界	壁面
泡沫沥青喷口计算域	泡沫沥青喷口边界	压力喷口
泡沫沥青喷口计算域	泡沫沥青喷口壁面边界	壁面
发泡腔内部表面计算域	发泡腔体壁面边界	壁面

单元尺寸/mm	网格数量/10⁵个	单元质量	偏斜系数	正交质量系数	喷口压力/Pa	质量流量/（kg·s^-1）
2.0	2.55	0.822	0.245	0.753	38 780.63	0.120 3
2.5	1.37	0.820	0.247	0.751	39 398.35	0.120 5
3.0	0.84	0.819	0.250	0.748	39 191.56	0.120 4

试验方案	泡沫沥青喷口个数	M₁/（kg·s^-1）	M₂/（kg·s^-1）	M₃/（kg·s^-1）
1	0.88d	0.122 558 821	0.120 435 880	0.112 477 307
2	0.31d	0.343 192 017	0.341 421 768	0.299 314 318
3	0.31d	0.337 445 941	0.331 903 514	0.321 705 200
4	0.88d	0.220 253 660	0.215 547 760	0.208 703 654
5	0.31d	0.341 384 683	0.339 985 845	0.315 814 858
6	0.88d	0.124 912 350	0.118 824 900	0.111 536 547
7	0.88d	0.122 410 910	0.121 365 442	0.117 296 458
8	0.31d	0.340 132 236	0.325 589 383	0.321 640 512
9	0.56d	0.190 729 438	0.189 251 290	0.178 109 889
10	0.56d	0.188 636 534	0.187 553 671	0.179 844 318
11	0.56d	0.192 089 861	0.185 681 959	0.180 591 853
12	0.56d	0.185 877 964	0.183 186 318	0.181 590 669
13	0.56d	0.192 089 861	0.185 681 959	0.180 591 853
14	0.56d	0.195 039 795	0.183 004 009	0.177 252 217
15	0.13d	0.107 798 784	0.104 634 938	0.103 436 888
16	0.56d	0.188 167 531	0.183 124 272	0.182 956 925

序号	x₁	x₂	x₃	x₄	p/Pa	Q₁/%	Q₂/%	Q₃/%
1	0.91a	0.75b	0.9c	0.88d	2 331	1.73	6.61	8.23
2	0.91a	0.75b	0.5c	0.31d	826 393	0.52	12.33	12.79
3	0.91a	0.58b	0.9c	0.31d	41 315	1.64	3.07	4.66
4	0.91a	0.58b	0.5c	0.88d	189 186	2.14	3.18	5.24
5	0.63a	0.75b	0.9c	0.31d	43 397	0.41	7.11	7.49
6	0.63a	0.75b	0.5c	0.88d	102 740	4.87	6.13	10.71
7	0.63a	0.58b	0.9c	0.88d	5 464	0.85	3.35	4.18
8	0.63a	0.58b	0.5c	0.31d	863 309	4.28	1.21	5.44
9	a	0.75b	0.7c	0.56d	39 029	0.77	5.89	6.62
10	0.55a	0.75b	0.7c	0.56d	33 225	0.57	4.11	4.66
11	0.77a	b	0.7c	0.56d	39 986	3.34	2.74	5.99
12	0.77a	0.5b	0.7c	0.56d	38 413	1.45	0.87	2.31
13	0.77a	0.75b	c	0.56d	8 207	3.34	2.74	5.99
14	0.77a	0.75b	0.4c	0.56d	680 594	6.17	3.14	9.12
15	0.77a	0.75b	0.7c	d	12 585	2.93	1.14	4.05
16	0.77a	0.75b	0.7c	0.56d	38 734	2.68	0.09	2.77

序号	沥青管径/mm	发泡水管径/mm	泡沫沥青喷口直径/mm	泡沫沥青喷口个数	p/Pa	Q₁/%	Q₂/%	Q₃/%
1	0.74a	0.58b	0.6c	d	47 240	3.77	0.97	2.85
2	0.74a	0.42b	0.5c	0.94d	63 630	4.00	1.73	3.87
3	0.76a	0.42b	0.5c	0.94d	36 570	3.83	2.40	4.50
4	0.76a	0.42b	0.5c	0.94d	53 480	4.10	2.50	4.70

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Optimized Design of Foamed Asphalt Spraying Device Considering Viscosity Change and State Change

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