沥青混凝土道路温度主动控制实验与数值模拟研究*

李婷婷 刘 洋

(陕西交通职业技术学院1) 西安 710018) (西安建筑科技大学土木工程学院2) 西安 710055)

0 引 言

沥青混凝土路面是我国高速公路的主要表面结构形式[1]，全国有超过90%的道路采用沥青混凝土路面.沥青混凝土作为一种黑色路面，对太阳辐射的吸收能力极强，夏季太阳的持续热辐射能量被沥青路面大量吸收，且无法有效释放，导致路面温度超过环境温度25 ℃以上.沥青是一种感温性材料，其混合料的劲度模量随着自身温度的升高而迅速降低，导致其抗压能力下降，使得路面在行车重载的作用下易发生变形，影响了沥青混凝土路面的高温稳定性[2-3].基于主动冷却方法的管形换热器在高温部件温度控制中的应用日趋广泛，通过引入冷却流体，利用强化对流换热方法及管路的合理布置，增大高温结构内的有效换热面积，提高换热强度，进而达到控制温度的目的.基于沥青混凝土路面的夏季温度控制需求及主动冷却结构的高效热防护性能，在沥青混凝土路面结构中应用主动冷却换热器的相关研究已开展了一些研究.Rajib等[4]采用洒水降温和在路面下铺设换热管路的方法对沥青路面温度控制开展研究，结果表明，换热器中的冷却流体可带走沥青混凝土结构中的大量蓄热，可有效降低路面温度.文献[5-7]对热管在沥青混凝土温度场调节中的作用进行了室内模拟，结果表明,热管可以提高路面的热稳定性，是否采用主动冷却方法对沥青混凝土内部温度场具有较大影响，内部不同点位的温差最高可达20 ℃以上.黄俊[8-9]对西安高速公路沥青路面夏季降温技术开展了研究，分析了不同降温措施的技术特点和温度控制效果.

文中选取沥青混凝土和U形管水冷换热器为研究对象，设计了带U形管换热器沥青混凝土和匀质混凝土两种模型，利用光源辐射模拟阳光辐射条件开展实验研究，并采用有限元方法建立了相应的三维数值计算模型，对沥青混凝土路面在不同热边界条件下的换热特性进行了数值模拟研究，获得了U形管换热器主动冷却方法对沥青混凝土路面温度控制的影响规律，这有助于拓展主动冷却方法的应用范围，也为提高夏季沥青混凝土路面的热稳定性的方案设计提供了新思路.

1 实验模型与数值模拟方法

根据研究目标，设计了两种沥青混凝土路面结构实验模型.①均匀的混凝土构件;②内置U形冷却管的沥青混凝土路面结构的实验模型.带U形冷却管的三维实验件模型见图1.沥青混凝土材料选用砂石与改性沥青混合物，是一种压紧的密实性结构.U形管管壁结构为钢合金，内部工作冷却流体为水.长方形沥青混凝土路面结构实验模型的x方向长1 000 mm，y方向宽500 mm，z方向厚240 mm.换热器U形管外径10 mm、内径8 mm、壁厚1 mm，其中相邻管间距为50 mm，回转段长200 mm，U形转弯半径为25 mm.U形管埋设于沥青混凝土路面之下40 mm，其中沥青混凝土中的埋设长度为220 mm.冷却工质水从U形管的入口端流入沥青混凝土结构内部，从出口端流出.实验模型的具体几何尺寸与物性参数见表1.

物性参数沥青混凝土U形管水密度ρ/(kg·m-3)2.33×1038.03×1031.00×103导热系数λ/(W·m-1·K-1)1.5116.270.60比定压热容cp/(W·kg-1·K-1)9205024 182

实验中换热管路的供水与回水系统见图2a)，加热及数据采集系统见图2b).换热管路由上水箱供水，冷却水量由阀门进行调节，流量由流量计进行测量，在实验件内进行换热后，冷却水由回水箱进行收集.在换热管路的进口与出口，均安装有显数式热电偶温度计测量温度.实验中采用安装有4个红外射线灯的光源系统模拟太阳辐射，通过采用不同的红外射线灯功率模拟太阳辐射强度的变化.光源系统由稳压电源供电，以消除功率波动.在沥青混凝土中预埋了两层三排四列共24个测温热电偶，上层热电偶距沥青混凝土表面1 mm，下层热电偶位于沥青混凝土路面下方40 mm，处于U形管换热器平面.热电偶输出的电信号经信号转化器放大处理后由温度采集系统记录，并转变为温度数据.实验件外围采用保温泡沫材料制成保温层，减少实验件与外部环境间的热交换.

实验过程中首先根据预设工况打开供水阀门，并通过调节阀门使冷却水达到预定流量，待上水、回水系统稳定后，测量冷却水入口及环境初始温度.启动数据采集系统，检测热电偶温度示数的稳定性和实验模型初始温度的一致性，做好数据采集准备.启动稳压电源，待示数稳定后打开光源系统开关，开始对实验件加热，同时开始采集实验数据.实验中模拟了沥青混凝土路面太阳辐射热流密度为700和1 000 W/m2的两种工况，实验时长为6 000 s.

图2 实验及测量系统示意图

2 数值模拟方法

在实验模型的基础上建立数值计算三维模型，模型尺寸及结构与实验模型相一致，并利用CFD软件对计算域进行了网格划分，计算模型与局部网格图见图3.在计算网格中，首先对计算域进行划分，沥青混凝土与U形管壁为固体域，U形管内部为流体域.在U形管内的流体域内，通过在管壁区域添加附面层的方式进行了局部网格加密.U形管及其所处的一层沥青混凝土固体域采用四面体网格，而对于沥青混凝土表面层和基层，则采用平铺的方式在整个计算域生成五面体体网格.计算模型的边界条件为：沥青混凝土路面为等热流密度壁面，侧壁面和基层底面为绝热壁面，材料物性为各向同性.U形管与沥青混凝土接触的壁面，以及水与U形管接触的壁面为耦合壁面.针对计算模型设计了三种计算网格，网格数分别为240万、460万和1 000万.计算结果表明，总网格数约为460万时已经满足了网格无关性要求，因此，计算中选取网格节点数约176万，总数约为460万的网格开展数值模拟.

图3 带U形管换热器沥青混凝土结构三维计算模型及局部网格图

利用ANSYS Fluent 对三维计算模型的换热特性进行了模拟计算.采用一阶隐格式非稳态传热计算方法，时间步长为0.5 s.沥青混凝土路面采用两种热流密度的热边界条件，热流密度分别为700和1 000 W/m2.模型初始温度及水的进口温度都设定为300 K，工况的计算时长为6 000 s.在三维模型的不同位置，共选取了三处截面作为温度监控面，分别为沥青混凝土路面、U形管水平截面(z方向截面)以及U形管出口截面.

3 结果分析

图4为不同热边界条件下实验模型典型截面平均温度随时间变化的测量结果.由图4a)可知，当光源开始对带U形管换热器的沥青混凝土路面进行加热后，沥青混凝土路面温度迅速升高，在前600 s内的升温速率最高.随后，路面升温速率降低.随着加热时长的增加，路面呈现近似线性的升温规律.U形管换热器水平截面的升温速率明显小于沥青混凝土路面的升温速率，其温度随时间也呈现近似线性的变化规律.随着加热时间增加至2 400 s以上，U形管水平截面与沥青混凝土路面间的温差变化不大，基本保持在11 K左右.U形管换热器出口截面的平均温度最低，当加热至6 000 s时，其与沥青混凝土路面间的最大温差达到约15 K.与之相比，不带换热器的实验模型的沥青混凝土路面温度变化规律与带U形管换热器实验模型的实验结果非常一致，且数值也很接近.而对于U形管换热器水平截面，匀质混凝土实验模型的平均温度明显高于带换热器实验模型的相应结果，两者温差达到4 K.

图4 不同辐射强度下实验件典型截面平均温度随时间的变化规律

当光源的辐射热流强度增加至1 000 W/m2后，对于两种沥青混凝土实验件，其结构内的温度变化规律与辐射热流强度为700 W/m2时的情况非常相似，但路面最终温度达到约350 K，路面平均温度与U形管换热器出口截面的平均温度的最大差值达到约20 K，均出现较大增加.

图5为不同加热时间后，带U形管换热器沥青混凝土结构的三维计算模型温度场分布结果.由图5a)可知，在对沥青混凝土路面加热300 s后，沥青混凝土吸收热量很少，仅在模型边缘靠近绝热壁面处温度略有升高.由沥青混凝土路面进入结构内部的热量还未影响到U形管换热器，冷却水由换热器进口流入，到从出口流出过程中温度几乎没有变化.当加热时长增加到1 500 s后，沥青混凝土路面吸收热量后的蓄热影响变得较为明显.沥青混凝土路面和绝热壁面温度已明显高于初始温度，边缘处温度上升则更为明显，由表面向内部的热量传递已经对U型管换热器产生影响，换热管壁温度有所升高.随着加热时间增加至3 000 s，沥青混凝土结构的整体温度进一步升高，在结构边缘和路面尖角处形成明显的局部高温区.沥青路面温度分布的不均匀度提高，路面中心区域的温度明显小于边缘位置，表明部分蓄积热量被U型管换热器内的冷却水带走，从而减小了升温幅度.相应的，U型管壁面温度进一步升高.当加热时间增加至4 500和6 000 s后，沥青混凝土结构不同位置处的温差持续增大，其中边缘和中心位置的最大温差增大至30 K以上.冷却水通过U型管换热器带走沥青混凝土结构内部热量的同时，自身温度也进一步升高，导致冷却水进、出口温差增大.

图5 内置U形冷却管的沥青混凝土结构三维温度场分布图

图6为带U形管换热器沥青混凝土结构中典型截面平均温度变化规律的数值模拟结果，对比数值模拟结果与实验结果可以看出，各典型截面平均温度随时间的变化规律非常一致，具体数值也很接近.上述结果表明，本研究中采用的数值计算方法能够获取带U形管换热器沥青混凝土结构内部温度分布的准确数据，有助于揭示该结构的温度变化特性.

图6 不同热边界条件下典型截面平均温度随加热时长变化规律

综合上述U形管换热器沥青混凝土结构的典型截面平均温度变化规律的实验与数值模拟结果可以看出：路面辐射热流强度是影响沥青混凝土结构在一定加热时长后最终温度的主要因素，表面热流密度越高，则路面及整体结构的最终温度越高，但结构温度的上升速率不会发生明显变化；U形冷却管主动冷却方法对沥青混凝土结构能起到很好的降温效果，在冷却管的工作区域，路面温度明显低于周围区域；冷却水带走了大量结构内部的蓄积热量，从进口至出口，冷却水温度上升20 K以上.

4 结 论

1) 在表面热流作用下，沥青混凝土结构温度随时间变化的具体数值与表面热流密度直接相关，表面热流密度越大，则结构温度越高，但结构温度的变化规律不受热流密度数值变化的影响.

2) U形管换热器能有效吸收沥青混凝土结构的内部蓄热，能够延缓外部热量向更深层次的渗透，对沥青混凝土路面具有明显降温效果.

3) 非稳态数值模拟结果与实验结果符合的很好，有助于从机理方面揭示结构内部的传热特性，获得更为全面细致的温度场分布及变化信息.

4)采用主动冷却方法是控制沥青混凝土结构温度的有效方法，既有利于降低局部高温区的温度，又能提高整体结构的温度均匀性，降低结构应力，是确保夏季沥青混凝土路面的热稳定性的新思路.