基于CFD-DEM耦合的厂拌再生滚筒加热仿真研究

朱震海 纪文强 周永杰 黄玉晶 韩东东 赵永利

浙江交投高速公路运营管理有限公司 道路交通工程国家级实验教学示范中心 (东南大学)东南大学交通学院

摘 要：为提高再生烘干筒加热效率，以SG4000型滚筒为依托，采用CFD-DEM流体力学-离散元耦合方法模拟滚筒加热拌和时骨料颗粒运动以及与热空气热交换，分析了再生滚筒加热RAP料全过程以及不同运行参数下滚筒的加热效果。研究结果表明：烘干筒在稳定加热阶段骨料颗粒空间分布处于动态平衡状态，其中料帘区滞留的骨料数量占90%以上，骨料在料帘区加热效果最为明显；滚筒转速对出料温度具有较大影响，随着转速的增加，滚筒内滞留的颗粒减少，虽然颗粒与热空气接触面积增多，但是其滞留的时间降低，导致骨料整体升温效果下降；滚筒的转速不宜偏低，因为滞留的骨料数量可能超过滚筒最大拌和量。随着滚筒进料率的增加，滚筒内滞留的骨料数量也会增加，骨料颗粒与热空气接触面积减少，造成滚筒加热效果的降低。因此在保证再生沥青混合料及时补给以及滚筒正常工作的前提下，尽量降低骨料的进料率，同时采用较低的转速，从而能最大化滚筒加热效率。

关键词：道路工程;厂拌再生滚筒;加热仿真;CFD-DEM耦合;

基金：浙江省交通运输厅科研计划项目，项目编号2019026;

目前，厂拌热再生技术已经成为沥青路面养护维修中的主要技术之一。大量研究结果表明，合理的材料设计与施工工艺的组合，能够使得厂拌热再生沥青混合料及再生沥青路面具备与新沥青混合料及新沥青路面相同的使用性能和寿命，从而具有节约资源、保护环境等显著的经济和社会效益[1,2]。厂拌热再生技术通过对旧料的筛分、加热及计量后，与新料、再生剂等一起在拌和锅进行搅拌，从而得到最终的再生沥青混合料[3]。其中最为重要的一环就是RAP料(旧沥青路面回收料)加热。因为RAP料只有被加热到规定温度才能与添加的再生剂、新沥青混合料等充分融合，从而提高再生沥青混合料RAP的掺量，保证再生沥青混合料的质量[4]。作为厂拌热再生设备的核心部件，再生烘干筒的主要作用是对RAP料进行烘干和加热，同时该加热过程伴随着燃料的消耗[5,6]。烘干筒的结构以及运行参数是影响RAP料加热效果的主要因素，因此合理的结构设计及运行参数的调整对提高骨料加热效果以及降低能耗具有重要的意义。

境内外已经有部分学者通过数值仿真技术对沥青混合料烘干筒加热过程进行研究。田晋跃等[7]采用FLUENT软件对再生烘干筒温度场进行数值仿真，提出旧料应在烘干筒前2/5处添加，避免与喷射高温火焰直接接触造成旧沥青二次老化。Andrew[8]基于CFD-DEM耦合理论计算出烘干筒加热过程流体及骨料颗粒温度随时间的变化。马登成等[9]借助离散元软件EDEM研究了烘干筒结构如叶片安装角、搅拌臂相位角对拌和均匀性影响，认为减小叶片安装角以及搅拌臂相位角均可以提高拌和的均匀性。张晨光等[10,11]提出了料帘密度概念，并且建立了相应的数学模型，认为周向布置数量为18或20片的3段式提料叶片更有利于形成密集的料帘，其在后来的研究中基于流体力学-离散元耦合仿真研究了提料叶片数量对烘干筒加热效果的影响，得出每增加1 m2的料帘区面积，出料温度升高约1.3℃。Sousani等[12]在CFD模型中考虑滚筒喷嘴燃料燃烧状态并且与DEM耦合，通过GPU提升仿真计算速度，实现滚筒传热仿真。

上述研究主要针对烘干筒结构参数进行优化，而对于烘干筒加热过程骨料温升过程以及烘干筒运行参数对加热效果的影响研究较少。为此，本文依托SG4000型再生烘干筒，基于欧拉-欧拉模型的CFD-DEM双向耦合理论，对再生烘干筒加热过程骨料温度分布及空间分布进行分析，同时对烘干筒运行参数进行研究，旨在为烘干筒加热拌和生产过程的优化提供理论基础。

1 再生滚筒几何结构

本文针对SG4000型再生加热滚筒，根据滚筒实际结构和尺寸，重构其三维几何模型。图1为再生滚筒三维模型图。滚筒总长为8 300 mm, 内径为2 755 mm, 壁厚为20 mm。滚筒轴向与水平面的夹角为4°且入料口朝上，目的是防止骨料长时间在滚筒内滞留，避免堵塞滚筒导致无法正常生产。出料口不仅有被加热的骨料排出，同时也有热空气的流入，这种逆流热空气通常具有更好的加热效果。

图1 SG4000型再生加热滚筒结构

滚筒沿着轴向分别为导料区、料帘区以及出料区。导料区滚筒内壁布置了螺旋导料板，能够加速入口料向前移动，防止骨料回流撒落到滚筒外部。料帘区包括5排提料叶片，每排周向均匀布置20片叶片，当滚筒运转时骨料在提料叶片作用下随滚筒缓慢旋转上升，料层表面与水平面夹角逐渐增大，最终骨料颗粒沿料层表面滑落。在料帘区充分加热之后，为了防止RAP料与出口喷射火焰直接接触造成旧沥青进一步老化，滚筒出料区不宜采用提料叶片进行扬料，RAP料只需从滚筒中心轴下方输送即可。

为了对再生滚筒加热效果进行定量分析，将滚筒沿轴向分为7个区域。L-1对应导料区，L-2～L-6为料帘区且分别对应5排提料叶片，L-7对应着出料区。

2 再生滚筒传热仿真模型

2.1骨料颗粒与热空气耦合理论

再生滚筒加热过程中，滚筒内部通常会暂留相当多数量的RAP料。这些RAP料会对滚筒内部热空气流场产生一定干扰，从而影响骨料颗粒加热效果。因此除了考虑骨料颗粒与热空气热量上的交换，还应分析颗粒与热空气力的相互作用，从而获得更加准确的数值仿真结果。双欧拉模型适用于固体颗粒体积分数在10%以上的多相流耦合分析。该模型在单向流模型基础上考虑了固相颗粒的体积，从而对传统的连续性方程和动量方程进行修正，同时在动量方程中引入颗粒与流体的动量交换源项，实现颗粒与流体间力的相互作用[13]。

??????????????????????(αfρf)?t+??(αfρfvf)=0?(αfρfvf)?t+??(αfρfvfvf)=???αf(??τf+ρfG??pf)+SfSf=1VE(FE+ME)=1VE∑i=1n(Fif+Fif×di)?????????(1){?(αfρf)?t+??(αfρfvf)=0?(αfρfvf)?t+??(αfρfvfvf)=???αf(??τf+ρfG-?pf)+SfSf=1VE(FE+ΜE)=1VE∑i=1n(Ffi+Ffi×di)?????????(1)

式中：αf为流体体积分数；ρf为流体密度；t为时间；vf为流体流速；τf为流体黏性应力张量；G为重力加速度；pf为流体压力；Sf为颗粒与流体动量交换源项；VE为流体单元的体积；FE、ME为颗粒与流体单元相互作用的合力与合力矩；n为与流体单元相交颗粒的数量；Fiffi为流体单元与单元内第i个颗粒相互作用力；di为第i个颗粒到流体单元质心的距离。

骨料颗粒温度的变化主要有流体与骨料颗粒、加热滚筒与骨料颗粒及骨料颗粒之间的传热，根据傅里叶导热理论，骨料颗粒温度传热方程如下：

mpcpdTdt=hpfApfΔTpf+kppΔTp1p2+kpdΔTpd?????????(2)mpcpdΤdt=hpfApfΔΤpf+kppΔΤp1p2+kpdΔΤpd?????????(2)

式中：mp、cp分别为骨料颗粒的质量和比热容；hpf、Apf、ΔTpf分别为骨料颗粒与流体之间的传热系数、接触面积(通常情况下为骨料颗粒外表面积)以及温差；kpp、ΔTp1p2分别为相邻颗粒之间的导热系数及温差；kpd、ΔTpd分别为颗粒与滚筒内壁之间的导热系数及接触点处温差。

2.2耦合参数设定

为了加快仿真速度，在DEM中简化骨料颗粒的形状为球体，骨料颗粒粒径范围为9.5～19 mm, 再生滚筒与骨料颗粒的参数设置如表1所示。考虑RAP料颗粒表面沥青的黏附力，采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型。在CFD中，于滚筒出料口施加流体入口边界条件，滚筒内壁为流体壁边界，进料口为流体出口边界，详细参数及模型见表2。

表1 骨料颗粒及再生滚筒主要参数

表2 滚筒热空气主要参数

3 仿真结果分析

3.1滚筒加热全过程分析

图2为滚筒进料率为80 kg/s、转速为0.8 rad/s工况下不同时刻骨料颗粒的空间和温度分布，随着时间增加，滚筒内骨料量逐渐增加，RAP料逐渐被输送至出料口。在这个过程中骨料颗粒温度不断升高，在50 s时刻，出料口有少量的骨料排出，同时滚筒出料量随时间逐渐增加。而在140～200 s时间区间，出料口出料量直观上没有太大变化，说明此时滚筒内部各空间区域的RAP料处于动态平衡状态。

图2 再生滚筒加热过程仿真结果

图3统计了滚筒出料口出料速度，可以看出在加热前期阶段，滚筒出料速度为0,因为初始进入滚筒的骨料颗粒还未抵达出料口。随着时间增加，滚筒出料速度逐渐增加，在160 s左右达到稳定，且稳定值在80 kg/s左右，说明滚筒进料量与出料量达到动态平衡。

图3 滚筒出料速度

从图4(a)可以看出不同区域骨料随时间增长也逐渐达到稳定状态，L-1和L-7区域总RAP料质量在400 kg左右，料帘区5个分区的RAP料质量均在1 000 kg以上，90%的RAP料分布在料帘区。从图2可以看到料帘区骨料颗粒被扬起，增加了骨料颗粒与热空气接触面积。这正好说明再生滚筒料帘区有加速骨料颗粒升温的作用。图4(b)为RAP料温度分布。随时间增加，各区域温度趋近于稳定，沿滚筒轴向出口方向，RAP料温度逐渐升高，尤其在料帘区5个分区之间温度上升幅度最大，同样说明料帘区为RAP料升温的主要区域。在RAP料温度稳定之前，温度出现了峰值。这是因为在初始加热阶段，RAP料数量较少，与热空气热交换更加充分，此时滚筒的进料率大于出料率。滚筒内RAP数量继续增加趋近于稳定值，稳定后温度有所下降，最终L-7区即滚筒出料区RAP料温度达到155℃,满足温度的要求。

图4 滚筒RAP料空间及温度分布

3.2旋转速度对骨料升温的影响

图5为滚筒稳定工作阶段，不同转速下RAP料温度分布以及各滚筒分区骨料颗粒的总质量。可以看出，转速较慢时RAP料温度均较高，在L-1至L-2区RAP料温度基本保持一致；从L-3区域开始温度差异逐渐明显，在L-7区，0.6 rad/s与1.0 rad/s转速下平均温度相差10℃左右。因此，运转速度对最终骨料升温有一定影响。

图5 不同转速下滚筒RAP料温度和空间分布

从图5(b)可以看出，转速较低时滚筒各区域滞留RAP料相对较高。转速0.6 rad/s工况下L-2至L-5分区滞留RAP料总质量达到1 800 kg, 而转速1.0 rad/s工况下对应分区滞留的RAP料不到1 500 kg, 说明转速增加，减小骨料颗粒在滚筒的平均滞留时间，被加热时间也就被缩短，造成RAP料整体温度降低。因此在实际生产中，适当降低滚筒的转速来提高骨料温度是可行的。然而减小转速会增大滚筒内RAP料的质量，当滞留的RAP料质量超过滚筒所能承受的最大拌料量时，也会影响滚筒的正常使用。

图6为不同转速工况下滚筒出料率随时间的变化规律。在进料率相同的情况下，转速快时则出料率先达到稳定状态，且不同转速下的滚筒运行稳定时出料率基本保持一致。

综上可知，滚筒转速对于滚筒出料量不会有影响，只影响滚筒内骨料颗粒滞留数量，也就是滞留时间，因此在实际生产中，在满足出料量的前提下，降低滚筒的转速对于提高骨料加热效果是可行的。

图6 不同转速下滚筒出料速度

3.3进料率对骨料升温的影响

再生滚筒进料率同样会影响RAP料的加热效果。图7为不同进料率下RAP料温度分布和空间分布情况。当进料率增大时，整体加热温度降低，进料率为60 kg/s与100 kg/s工况下，L-7区骨料颗粒的平均温度分别为160℃和148℃,说明进料率同样对滚筒加热效果产生较大影响。这是由于较大进料率使滚筒内停留的骨料数量增多，导致了骨料颗粒与热空气接触面积减小，降低了滚筒的加热效果。

图7 不同进料率下滚筒RAP料温度和空间分布

由图8可以看出，从加热拌和开始，不同进料率工况下滚筒单位时间的出料量逐渐趋近稳定且与进料量达成动态平衡状态。结合图6可知，进料率是影响滚筒产量的主要因素，与滚筒转速没有明显的相关性。

图8 不同进料率下滚筒出料速度

综上可知，增加滚筒的进料量能够提高滚筒拌和再生料的产量，但是滚筒的加热效果会降低。同时由于进料量的增加，滚筒内滞留的骨料也会增加，将会增加滚筒拌和负担。

4 结语

(1)基于CDF-DEM耦合仿真对烘干筒加热过程进行分析，研究结果表明烘干筒在稳定加热阶段骨料颗粒空间分布处于动态平衡状态。其中料帘区滞留的骨料数量占90%以上，骨料在料帘区升温最为明显。

(2)滚筒转速对出料温度具有较大影响，随着转速的增加，滚筒内滞留的颗粒减少，虽然颗粒与热空气接触面积增多，但是其滞留的时间同样降低，导致骨料整体升温效果下降。滚筒的转速不宜偏低，因为滞留的骨料数量将会增多可能超过滚筒最大拌和量。

(3)随着滚筒进料率的增加，滚筒内滞留的骨料数量也会增加，使骨料颗粒与热空气接触面积减少，造成滚筒加热效果降低。

(4)在能保证再生沥青混合料及时供给以及滚筒正常工作的前提下，尽量降低骨料的进料率，同时采用较低的转速，从而能最大化加热效率。

参考文献

[1] Pan Y Y,Li J,Yang T,et al.Optimization of gradation design of recycled asphalt mixtures based on fractal and Mohr-Coulomb theories[J].Construction and Building Materials,2020,248:118649.

[2] 何兆益，陈龙，陈先勇，等.厂拌热再生沥青混合料力学性能及应用研究[J].建筑材料学报，2016,19(5):871-875+914.

[3] 吴革森，李裕洪，司徒丽新，等.高掺量RAP厂拌热再生混合料配合比设计研究[J].公路，2014,59(10):251-254.

[4] 蒋红英，朱剑铭，杨宝林.旧沥青混合料厂拌热再生的加热方法及特点[J].建设机械技术与管理，2013,(12).

[5] 李金平，皇甫艳芳，叶敏.基于流固共轭的沥青骨料烘干筒热力学仿真研究[J].中国工程机械学报，2015,(4).

[6] 张晨光，谢立扬，高岱乐，等.厂拌热再生滚筒顺流与逆流加热工艺对比研究[J].华中科技大学学报：自然科学版，2020,48(11):73-78.

[7] 田晋跃，翟云峰，程一鸣，等.再生沥青拌合烘干滚筒的温度场数值模拟[J].中国工程机械学报，2007,(3).

[8] Andrew H.Simulation of an Aggregate Dryer using Coupled CFD and DEM Methods[J].International Journal of Computational Fluid Dynamics,2009,23(2):199-207.

[9]

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