瀝青混凝土道路溫度主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究*

李婷婷 劉 洋

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院1) 西安 710018) (西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院2) 西安 710055)

0 引 言

瀝青混凝土路面是我國(guó)高速公路的主要表面結(jié)構(gòu)形式[1]，全國(guó)有超過90%的道路采用瀝青混凝土路面.瀝青混凝土作為一種黑色路面，對(duì)太陽輻射的吸收能力極強(qiáng)，夏季太陽的持續(xù)熱輻射能量被瀝青路面大量吸收，且無法有效釋放，導(dǎo)致路面溫度超過環(huán)境溫度25 ℃以上.瀝青是一種感溫性材料，其混合料的勁度模量隨著自身溫度的升高而迅速降低，導(dǎo)致其抗壓能力下降，使得路面在行車重載的作用下易發(fā)生變形，影響了瀝青混凝土路面的高溫穩(wěn)定性[2-3].基于主動(dòng)冷卻方法的管形換熱器在高溫部件溫度控制中的應(yīng)用日趨廣泛，通過引入冷卻流體，利用強(qiáng)化對(duì)流換熱方法及管路的合理布置，增大高溫結(jié)構(gòu)內(nèi)的有效換熱面積，提高換熱強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的.基于瀝青混凝土路面的夏季溫度控制需求及主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的高效熱防護(hù)性能，在瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)用主動(dòng)冷卻換熱器的相關(guān)研究已開展了一些研究.Rajib等[4]采用灑水降溫和在路面下鋪設(shè)換熱管路的方法對(duì)瀝青路面溫度控制開展研究，結(jié)果表明，換熱器中的冷卻流體可帶走瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中的大量蓄熱，可有效降低路面溫度.文獻(xiàn)[5-7]對(duì)熱管在瀝青混凝土溫度場(chǎng)調(diào)節(jié)中的作用進(jìn)行了室內(nèi)模擬，結(jié)果表明,熱管可以提高路面的熱穩(wěn)定性，是否采用主動(dòng)冷卻方法對(duì)瀝青混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)具有較大影響，內(nèi)部不同點(diǎn)位的溫差最高可達(dá)20 ℃以上.黃俊[8-9]對(duì)西安高速公路瀝青路面夏季降溫技術(shù)開展了研究，分析了不同降溫措施的技術(shù)特點(diǎn)和溫度控制效果.

文中選取瀝青混凝土和U形管水冷換熱器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了帶U形管換熱器瀝青混凝土和勻質(zhì)混凝土兩種模型，利用光源輻射模擬陽光輻射條件開展實(shí)驗(yàn)研究，并采用有限元方法建立了相應(yīng)的三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)瀝青混凝土路面在不同熱邊界條件下的換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，獲得了U形管換熱器主動(dòng)冷卻方法對(duì)瀝青混凝土路面溫度控制的影響規(guī)律，這有助于拓展主動(dòng)冷卻方法的應(yīng)用范圍，也為提高夏季瀝青混凝土路面的熱穩(wěn)定性的方案設(shè)計(jì)提供了新思路.

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模擬方法

根據(jù)研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了兩種瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?①均勻的混凝土構(gòu)件;②內(nèi)置U形冷卻管的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?帶U形冷卻管的三維實(shí)驗(yàn)件模型見圖1.瀝青混凝土材料選用砂石與改性瀝青混合物，是一種壓緊的密實(shí)性結(jié)構(gòu).U形管管壁結(jié)構(gòu)為鋼合金，內(nèi)部工作冷卻流體為水.長(zhǎng)方形瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膞方向長(zhǎng)1 000 mm，y方向?qū)?00 mm，z方向厚240 mm.換熱器U形管外徑10 mm、內(nèi)徑8 mm、壁厚1 mm，其中相鄰管間距為50 mm，回轉(zhuǎn)段長(zhǎng)200 mm，U形轉(zhuǎn)彎半徑為25 mm.U形管埋設(shè)于瀝青混凝土路面之下40 mm，其中瀝青混凝土中的埋設(shè)長(zhǎng)度為220 mm.冷卻工質(zhì)水從U形管的入口端流入瀝青混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從出口端流出.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w幾何尺寸與物性參數(shù)見表1.

物性參數(shù)瀝青混凝土U形管水密度ρ/(kg·m-3)2.33×1038.03×1031.00×103導(dǎo)熱系數(shù)λ/(W·m-1·K-1)1.5116.270.60比定壓熱容cp/(W·kg-1·K-1)9205024 182

實(shí)驗(yàn)中換熱管路的供水與回水系統(tǒng)見圖2a)，加熱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖2b).換熱管路由上水箱供水，冷卻水量由閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，流量由流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)件內(nèi)進(jìn)行換熱后，冷卻水由回水箱進(jìn)行收集.在換熱管路的進(jìn)口與出口，均安裝有顯數(shù)式熱電偶溫度計(jì)測(cè)量溫度.實(shí)驗(yàn)中采用安裝有4個(gè)紅外射線燈的光源系統(tǒng)模擬太陽輻射，通過采用不同的紅外射線燈功率模擬太陽輻射強(qiáng)度的變化.光源系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源供電，以消除功率波動(dòng).在瀝青混凝土中預(yù)埋了兩層三排四列共24個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕迹蠈訜犭娕季酁r青混凝土表面1 mm，下層熱電偶位于瀝青混凝土路面下方40 mm，處于U形管換熱器平面.熱電偶輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化器放大處理后由溫度采集系統(tǒng)記錄，并轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葦?shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)件外圍采用保溫泡沫材料制成保溫層，減少實(shí)驗(yàn)件與外部環(huán)境間的熱交換.

實(shí)驗(yàn)過程中首先根據(jù)預(yù)設(shè)工況打開供水閥門，并通過調(diào)節(jié)閥門使冷卻水達(dá)到預(yù)定流量，待上水、回水系統(tǒng)穩(wěn)定后，測(cè)量冷卻水入口及環(huán)境初始溫度.啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢測(cè)熱電偶溫度示數(shù)的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏紲囟鹊囊恢滦?，做好?shù)據(jù)采集準(zhǔn)備.啟動(dòng)穩(wěn)壓電源，待示數(shù)穩(wěn)定后打開光源系統(tǒng)開關(guān)，開始對(duì)實(shí)驗(yàn)件加熱，同時(shí)開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)中模擬了瀝青混凝土路面太陽輻射熱流密度為700和1 000 W/m2的兩種工況，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為6 000 s.

圖2 實(shí)驗(yàn)及測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)值模擬方法

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上建立數(shù)值計(jì)算三維模型，模型尺寸及結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘁恢?，并利用CFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，計(jì)算模型與局部網(wǎng)格圖見圖3.在計(jì)算網(wǎng)格中，首先對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，瀝青混凝土與U形管壁為固體域，U形管內(nèi)部為流體域.在U形管內(nèi)的流體域內(nèi)，通過在管壁區(qū)域添加附面層的方式進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密.U形管及其所處的一層瀝青混凝土固體域采用四面體網(wǎng)格，而對(duì)于瀝青混凝土表面層和基層，則采用平鋪的方式在整個(gè)計(jì)算域生成五面體體網(wǎng)格.計(jì)算模型的邊界條件為：瀝青混凝土路面為等熱流密度壁面，側(cè)壁面和基層底面為絕熱壁面，材料物性為各向同性.U形管與瀝青混凝土接觸的壁面，以及水與U形管接觸的壁面為耦合壁面.針對(duì)計(jì)算模型設(shè)計(jì)了三種計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為240萬、460萬和1 000萬.計(jì)算結(jié)果表明，總網(wǎng)格數(shù)約為460萬時(shí)已經(jīng)滿足了網(wǎng)格無關(guān)性要求，因此，計(jì)算中選取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約176萬，總數(shù)約為460萬的網(wǎng)格開展數(shù)值模擬.

圖3 帶U形管換熱器瀝青混凝土結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型及局部網(wǎng)格圖

利用ANSYS Fluent 對(duì)三維計(jì)算模型的換熱特性進(jìn)行了模擬計(jì)算.采用一階隱格式非穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算方法，時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 s.瀝青混凝土路面采用兩種熱流密度的熱邊界條件，熱流密度分別為700和1 000 W/m2.模型初始溫度及水的進(jìn)口溫度都設(shè)定為300 K，工況的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為6 000 s.在三維模型的不同位置，共選取了三處截面作為溫度監(jiān)控面，分別為瀝青混凝土路面、U形管水平截面(z方向截面)以及U形管出口截面.

3 結(jié)果分析

圖4為不同熱邊界條件下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷湫徒孛嫫骄鶞囟入S時(shí)間變化的測(cè)量結(jié)果.由圖4a)可知，當(dāng)光源開始對(duì)帶U形管換熱器的瀝青混凝土路面進(jìn)行加熱后，瀝青混凝土路面溫度迅速升高，在前600 s內(nèi)的升溫速率最高.隨后，路面升溫速率降低.隨著加熱時(shí)長(zhǎng)的增加，路面呈現(xiàn)近似線性的升溫規(guī)律.U形管換熱器水平截面的升溫速率明顯小于瀝青混凝土路面的升溫速率，其溫度隨時(shí)間也呈現(xiàn)近似線性的變化規(guī)律.隨著加熱時(shí)間增加至2 400 s以上，U形管水平截面與瀝青混凝土路面間的溫差變化不大，基本保持在11 K左右.U形管換熱器出口截面的平均溫度最低，當(dāng)加熱至6 000 s時(shí)，其與瀝青混凝土路面間的最大溫差達(dá)到約15 K.與之相比，不帶換熱器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臑r青混凝土路面溫度變化規(guī)律與帶U形管換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致，且數(shù)值也很接近.而對(duì)于U形管換熱器水平截面，勻質(zhì)混凝土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠骄鶞囟让黠@高于帶換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南鄳?yīng)結(jié)果，兩者溫差達(dá)到4 K.

圖4 不同輻射強(qiáng)度下實(shí)驗(yàn)件典型截面平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

當(dāng)光源的輻射熱流強(qiáng)度增加至1 000 W/m2后，對(duì)于兩種瀝青混凝土實(shí)驗(yàn)件，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度變化規(guī)律與輻射熱流強(qiáng)度為700 W/m2時(shí)的情況非常相似，但路面最終溫度達(dá)到約350 K，路面平均溫度與U形管換熱器出口截面的平均溫度的最大差值達(dá)到約20 K，均出現(xiàn)較大增加.

圖5為不同加熱時(shí)間后，帶U形管換熱器瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型溫度場(chǎng)分布結(jié)果.由圖5a)可知，在對(duì)瀝青混凝土路面加熱300 s后，瀝青混凝土吸收熱量很少，僅在模型邊緣靠近絕熱壁面處溫度略有升高.由瀝青混凝土路面進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量還未影響到U形管換熱器，冷卻水由換熱器進(jìn)口流入，到從出口流出過程中溫度幾乎沒有變化.當(dāng)加熱時(shí)長(zhǎng)增加到1 500 s后，瀝青混凝土路面吸收熱量后的蓄熱影響變得較為明顯.瀝青混凝土路面和絕熱壁面溫度已明顯高于初始溫度，邊緣處溫度上升則更為明顯，由表面向內(nèi)部的熱量傳遞已經(jīng)對(duì)U型管換熱器產(chǎn)生影響，換熱管壁溫度有所升高.隨著加熱時(shí)間增加至3 000 s，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的整體溫度進(jìn)一步升高，在結(jié)構(gòu)邊緣和路面尖角處形成明顯的局部高溫區(qū).瀝青路面溫度分布的不均勻度提高，路面中心區(qū)域的溫度明顯小于邊緣位置，表明部分蓄積熱量被U型管換熱器內(nèi)的冷卻水帶走，從而減小了升溫幅度.相應(yīng)的，U型管壁面溫度進(jìn)一步升高.當(dāng)加熱時(shí)間增加至4 500和6 000 s后，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)不同位置處的溫差持續(xù)增大，其中邊緣和中心位置的最大溫差增大至30 K以上.冷卻水通過U型管換熱器帶走瀝青混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量的同時(shí)，自身溫度也進(jìn)一步升高，導(dǎo)致冷卻水進(jìn)、出口溫差增大.

圖5 內(nèi)置U形冷卻管的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)三維溫度場(chǎng)分布圖

圖6為帶U形管換熱器瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中典型截面平均溫度變化規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，各典型截面平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律非常一致，具體數(shù)值也很接近.上述結(jié)果表明，本研究中采用的數(shù)值計(jì)算方法能夠獲取帶U形管換熱器瀝青混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，有助于揭示該結(jié)構(gòu)的溫度變化特性.

圖6 不同熱邊界條件下典型截面平均溫度隨加熱時(shí)長(zhǎng)變化規(guī)律

綜合上述U形管換熱器瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的典型截面平均溫度變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：路面輻射熱流強(qiáng)度是影響瀝青混凝土結(jié)構(gòu)在一定加熱時(shí)長(zhǎng)后最終溫度的主要因素，表面熱流密度越高，則路面及整體結(jié)構(gòu)的最終溫度越高，但結(jié)構(gòu)溫度的上升速率不會(huì)發(fā)生明顯變化；U形冷卻管主動(dòng)冷卻方法對(duì)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)能起到很好的降溫效果，在冷卻管的工作區(qū)域，路面溫度明顯低于周圍區(qū)域；冷卻水帶走了大量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的蓄積熱量，從進(jìn)口至出口，冷卻水溫度上升20 K以上.

4 結(jié) 論

1) 在表面熱流作用下，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間變化的具體數(shù)值與表面熱流密度直接相關(guān)，表面熱流密度越大，則結(jié)構(gòu)溫度越高，但結(jié)構(gòu)溫度的變化規(guī)律不受熱流密度數(shù)值變化的影響.

2) U形管換熱器能有效吸收瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部蓄熱，能夠延緩?fù)獠繜崃肯蚋顚哟蔚臐B透，對(duì)瀝青混凝土路面具有明顯降溫效果.

3) 非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好，有助于從機(jī)理方面揭示結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳熱特性，獲得更為全面細(xì)致的溫度場(chǎng)分布及變化信息.

4)采用主動(dòng)冷卻方法是控制瀝青混凝土結(jié)構(gòu)溫度的有效方法，既有利于降低局部高溫區(qū)的溫度，又能提高整體結(jié)構(gòu)的溫度均勻性，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是確保夏季瀝青混凝土路面的熱穩(wěn)定性的新思路.