摘要：利用PROE建立沥青加热装置三维几何模型，ANSYS Workbench对沥青加热装置内部温度场进行了仿真数值模拟。同时分别从蛇管间距、沥青流速及导热油流速三个方面分析了其对换热效率的影响。通过数值模拟分析得到的仿真结果对沥青加热装置设计具有一定的指导意义。
关键词：沥青洒布车；加热装置；换热效率；数值模拟
引言
对流换热过程广泛应用于换热设备，在实际烦人工程问题当中，往往伴随着热传导、对流、热辐射等换热方式中的三种或两种同时存在的复杂传热过程，对流换热和辐射传热同时存在的复合换热，可以把辐射换热折合成对流换热的方法。陶文铨[1]对不同截面形状的管道内充分发展的对流换热的速度场、温度场进行了数值计算。李友荣[2]等对管槽内对流换热过程进行了研究，得到了熵产数的一般表达式，通过减小熵产来优化管道。熊树生[3]利用CFD软件对发动机缸体的冷却水套内冷却液的流动和传热进行了三维数值模拟。蒋祖星[4]通过最佳雷诺数以减少换热系统不可逆损失优化了管内的对流换热过程。
换热系数、努塞尔数以及压降都会影响传热效率[5]。本文基于ANSYS Workbench仿真平台，流体计算FLUENT求解器对沥青加热装置换热后内部温度场进行了仿真计算，同时分析了蛇形管结构及冷热流体流速对换热效果的影响。通过对各个参数的合理选择以达到提高传热效率的目的。
1沥青加热装置数值模拟计算
1.1建立沥青加热装置几何模型
1.1.1沥青加热机理
沥青是非金属混合物，属于非牛顿流体，内部所含的自由电子非常稀少，分子相对较多，因此沥青加热过程中的导热过程主要是依靠沥青中存在的温度梯度进行能量传递，沥青内部分子之间相互作用使较高温度的分子将自身热量传递给相邻温度较低的分子，但是这种分子间相互作用传递热量的方式在沥青换热中作用是有限的，因为导热系数只有金属材料的3‰，导热作用很小，常常不考虑导热过程中产生的热量传递。沥青在加热过程中的热量几乎完全由对流换热来传递。
对流换热根据其是否加入外界条件，分为自然对流换热和强制对流换热两种方式。自然对流加热沥青主要是利用加热过程中沥青密度变化产生的浮升力，沥青在加热时会因为受热密度减小而上浮，同时周围密度较大的冷流沥青不断向下进行填充，受热上浮，形成冷热交替循环。这种自然对流换热方式，一般是将换热管均匀布置在沥青容器底部，热量传递效率不高，具有一定的局限性。强制对流加热沥青是在原有自然对流加热系统基础上引入外界动力提高沥青流动速度，增强换热效果，主要包括沥青动态循环加热系统和内置搅拌系统。沥青在强制对流加热方式作用下受热均匀，避免其性能因过热而下降，最终实现罐内沥青充分加热至洒布温度。
1.1.2导热油加热系统
图1 导热油加热沥青系统
Fig. 1 Heat conduction oil heating asphalt system
如图1，为内置双层U型管式导热油加热系统[6],导热油和沥青加热统一内置到沥青罐内, 双层U型管内管是高温燃气通道，夹层内是导热油通道，燃烧器提供高温燃气，外层流动的导热油将火焰辐射热量带出，并在热油泵循环作用下通过蛇形盘管对罐内沥青实现了循环加热。
2沥青加热装置数值模拟计算
2.1沥青加热装置PROE建模及网格划分
该沥青加热装置采用水平蛇形管换热，冷流体为沥青，热流体为导热油，导热油经蛇形管时通过蛇管壁对沥青罐内沥青进行加热，为了对沥青罐内部换热情况进行分析，首先需要建立包括沥青罐罐体在内的几何模型。根据模型的几何参数，采用PROE进行参数化几何模型设计，简化后的模型结构如图2所示。
图2 沥青加热装置的三维几何模型
Fig. 2 Three-dimensional asphalt heating equipment model
网格划分是建立有限元模型至关重要的环节。对于本文的流动与传热问题分析数值计算结果可靠性和计算效率影响最大的就是的网格划分方法和计算求解的算法，只有将网格生成和求解算法二者良好匹配才能得到合理的数值计算结果。对沥青加热装置网格划分时，综合考虑沥青罐和蛇形管的几何结构特点，选择整体和局部加密相结合的网格划分方案，所建立的有限元模型见图3，网格总数(Elements)2380438。
2.3边界条件设置
计算流体进口采用速度(Velocity)边界条件，给出相应的流体流速、初始温度；流体出口采用自由出口（Outflow）边界条件；壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界，热流量为零；稳态不可压缩求解。具体边界条件如表1所示：
表1 模拟边界条件
Tab. 1 Boundary Condition Parameters
2.4数值模拟及结果分析
采用基于压力（Pressure Based）、三维（3D）、隐式（Implicit）求解的方法对沥青加热系统传热过程进行模拟，保证收敛的稳定性[9]；考虑湍流效应对流体传热的影响，导热油湍流模型选用RNG k-ε双方程模型，沥青选择层流模型，打开粘性发热。求解过程中，为满足需要的精度要求，控制方程采用二阶迎风差分方式进行离散化，SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation）[10]算法进行压力-速度解耦。
图5 不同位置椭圆截面温度场分布云图
Fig. 5 Temperature field map of elliptic cross section in different positions
从图4和图5，我们可以很清晰地看到沥青受导热油加热作用稳定后沥青罐整体和内部温度场的分布情况：沥青进口段较长部分流体温差较大，远离进口段温差较小但超出了沥青加热范围，远离进口段存在沥青流动死区。流动死区的存在将使沥青不断加热，沥青容易产生过热而降低性能。而引起这种温度分布不均匀现象主要应该有以下几个原因，一是沥青进出口设置在同一截面上且两者距离较近，导致沥青不能在罐内充分流动换热而被连续加热，沥青温度高于其他受热区域；二是模型简化时忽略了蛇管壁的热传导作用，未考虑壁面热阻对换热结果的影响。
3沥青加热装置换热效果影响因素分析
（1）蛇形管间距对换热效率的影响
图6.1蛇管间距与换热系数的关系 图6.2蛇管间距与Nu的关系
Fig. 6.1 Relational curve of the influence Fig. 6.2 Relational curve of the influence
of coil spacing on the coefficient of heat exchange of coil spacing on Nu
由图6.1、图6.2可以看出，合理改变蛇管间距有利于提高换热效率。蛇管间距取50mm时对流换热系数为72.163KW/(m2.K)，取80mm时对流换热系数为80.385 KW/(m2.K)，取110mm时对流换热系数下降为75.694 KW/(m2.K)。蛇管间距增加，管间流动性更好，外部沥青能够在蛇管间流动愈充分。但是一方面沥青罐尺寸限制，另一方面间距增加会削弱二次环流现象，也就是图中出现了一定程度下降的原因。
（2）沥青流速对换热效率的影响
图7.3 沥青流速与压降关系图
7.3 Rational curve of velocity and pressure drop
图2.5和图2.6表明，提高沥青流速是可以使沥青加热系统换热系数及努塞尔数Nu增加的，也就是可以提高换热效率。沥青速度为0m/s时,也就是沥青处于静止状态下，换热系数为66.384KW(m2.K)；沥青具有一定流速状态下换热系数均比静止状态有所提高，进一步验证了这种动态循环加热方式换热效率优于自然对流加热。同时可以发现，沥青流速从0.3m/s增加到0.7m/s，换热系数从74.821 KW(m2.K)提高到80.034 KW(m2.K)，增幅大约为6 KW(m2.K)。总体来看，提高沥青流速对传热效果影响是有限的。
图7.3所示是沥青流速对压降的变化曲线，从曲线上看，随着沥青流速的增加使罐内压降也同样得到了增加，压力损失更为剧烈。提高沥青流速使流动阻力增大，泵功消耗更大。因此，沥青流速的选择应该综合考虑各方面因素以求最优换热效果。
（3）导热油流速对换热效率的影响
图8.3导热油流速与压降关系
Fig. 8.3 Rational curve of and oil flow rate velocity and pressure drop从图8可以分析发现，导热油流速从1.5m/s增加到2.5m/s过程中，换热系数由89.256 KW(m2.K)提高到112.695 KW(m2.K)，增幅大约为25 KW(m2.K)；努塞尔数Nu由79.479增加到105.837。由此说明采取提高导热油流速的方式可以增大换热系数K及努塞尔数Nu，也就是可以有效提高换热效率。不过，提高导热油流速也增加了系统压降，流动阻力更大，能耗损失更严重。
对比沥青流速变化对换热效率的影响，导热油流速变化产生的影响更为显著，换热效果改善更佳。也就是说，同种条件下，提高导热油流速更有利于换热。不过，从压降方面看，沥青流速从0.3m/s增加到0.7m/s时，压降值也增加，增幅约4000Pa；而导热油流速从1.5m/s增加到2.5m/s时，压降增值约是前者10倍，达到42000Pa。由此说明，通过提高导热油流速来改善换热效率是以牺牲泵功来实现的。
4结论
本文数值模拟计算验证了沥青动态循环加热方式换热效率优于自然换热方式，通过模拟分析，改变流速是可以达到提高系统换热效率的目的，但是也增加了流体流动阻力，使得循环泵泵送功率消耗增加。因此，对于确定几何结构的沥青加热系统，在保证导热油处于湍流流动情况下，可以适当提高导热油流速来获得更佳的换热效果。
参考文献
[1]陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2001.
[2]李友荣. 管槽内对流换热过程热力学分析及性能评价[J]. 重庆大学学报，1992，15（3）：69-71.
[3]能树生. 发动机缸体冷却液流动传热的三维CFD模拟[J]. 浙江大学学报，2007，41（7）：1192-1194.
[4]陈群. 对流换热过程的热力学优化与传热分析[J]. 工程热物理学报，2008，29（2）：271-274.
[5]李俊武，吴鹏. 沥青洒布车传热分析及计算[J]. 施工机械&施工技术，2009，36（8）：42-45.
[6]王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
论文作者:周义学
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月上
论文发表时间:2017/6/30
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