摘要：為制定瀝青發泡腔結構設計的評價機制，提出了基于瀝青發泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價方法，即建立瀝青發泡過程動力學模型，以解析不同發泡腔結構下的多相流場分布。通過解析結果與試驗數據的對比，驗證了上述模型的有效性；進而建立發泡腔結構設計的評價指標，與試驗數據進行對比分析后，得到了瀝青發泡腔結構設計的評價機制，且在一定程度上揭示了瀝青發泡機理，即發泡腔內瀝青與水的混合均勻度越差、溫度波動越大、水蒸氣越少，則瀝青發泡效果越好，發泡腔結構設計越合理。
關鍵詞：瀝青發泡腔；結構設計；多相流場；對比評價
瀝青發泡技術以其巨大的經濟效益和環保價值，在道路施工中得到越來越廣泛的應用。因而，國內外學者對瀝青發泡機理、泡沫瀝青特性評價指標做了大量研究，通過試驗測試研究了影響瀝青發泡質量的因素和最佳發泡條件，并提出了瀝青發泡質量控制方程及其參數化模型。
以上研究的共同點是：均研究了瀝青發泡條件對瀝青發泡效果的影響，但并未研究瀝青發泡過程中發泡腔內多相流場與瀝青發泡效果的關系，且未提出瀝青發泡腔結構設計的評價機制。
為此，本文建立了瀝青發泡過程的動力學模型，通過多相流場解析與試驗數據對比，驗證模型的有效性，在此模型的基礎上提出瀝青發泡腔結構設計的評價指標，得到瀝青發泡腔結構設計的評價機制，且在一定程度上說明瀝青發泡的機理。
瀝青發泡過程動力學模型瀝青發泡是具有相變和熱交換的復雜的強非線性動力學過程。瀝青被加熱至160℃以上，以一定壓力噴入發泡腔，此時處于環境溫度下的水和壓縮空氣從另一個噴口以一定壓力噴入發泡腔，三者在發泡腔中接觸，水分迅速蒸發，從而使瀝青產生爆炸泡沫，體積膨脹至原來的10至20倍，這時瀝青黏度急劇下降，與混合料具有較好的裹覆性。
瀝青發泡過程如圖1所示，發泡腔通常是圓柱體，上部開口為瀝青噴口，左右兩側為水和空氣噴口，泡沫瀝青從發泡腔底部噴出。該過程在發泡腔內的流動是三維流動問題，但按三維流動問題來分析多相流非常困難。為了簡化模型，本文用二維數值模擬來反映發泡腔內的流場情況。
采用計算流體力學軟件CFD對瀝青發泡過程中發泡腔內多相流場進行二維數值模擬，選擇volumeoffluid（VOF）模型，因為VOF模型適用于相變及熱交換的多相流場，而瀝青發泡是具有復雜相變和熱交換的多相流過程。
根據VOF模型進行參數設置，把空氣相作為可壓縮相，采用默認值；瀝青密度設為1092kg/m3,溫度設為160℃，熱傳導系數設為0.628W/（m·K），瀝青的動力黏度通過插值設定，插值點如表1所示；水溫設為20℃，密度為1000kg/m3,熱傳導系數設為0.6W/（m·K），動力黏度設為0.001003Pa·s.
選用帶旋流修正的k-ε湍流模型，利用PISO算法對控制方程進行離散化處理，通過對連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程的連續迭代求解，可以得到發泡腔內多相流場的數值解析結果，為更精確地描述瀝青發泡過程提供理論基礎。
瀝青發泡腔多相流場解析通用標準結構發泡腔流場的數值解析在上述動力學模型的基礎上，以通用標準結構發泡腔為研究對象，根據試驗實際情況，空氣入口壓力設定為0.3MPa,水入口速度設定為6.64m/s,瀝青入口速度設定為22.748m/s.利用計算流體力學軟件對動力學模型進行數值解析，得到發泡腔中瀝青、水、水蒸氣、空氣的多相流場分布，如圖2所示。
由圖2可見，壓縮空氣將高溫瀝青壓向水入口處，讓高溫瀝青和水充分接觸；高溫瀝青使水充分蒸發，從而使瀝青急速膨脹，產生爆炸性泡沫，即生成泡沫瀝青。解析結果符合瀝青發泡機理。
不同結構發泡腔的試驗數據與流場解析的對比分析瀝青發泡過程中，瀝青發泡參數（加水量、溫度等）一定時，發泡腔的不同結構尺寸對瀝青發泡效果有著至關重要的影響。
為了驗證上述動力學模型的有效性并制定瀝青發泡腔結構設計評價機制，本文通過改變發泡腔的結構尺寸，不改變其他條件，設計制造了3個結構發泡腔，并以膨脹率和半衰期作為評價指標進行瀝青發泡試驗。
試驗結果如圖3所示。對這3個結構發泡腔建立動力學模型，并利用計算流體力學軟件對發泡腔內多相流場進行解析，得到多相流場的分布情況。
在發泡腔內選取足夠多的點，得到各個點瀝青、水、空氣的體積分數，再計算3個發泡腔內瀝青、水、空氣各相體積分數的標準差，并進行比較，如表2所示。
由圖3及表2可見，3個發泡腔的膨脹率和半衰期均呈遞減趨勢，而根據其多相流場數值解析得到的瀝青、水、空氣各相體積分數的標準差也均呈遞減趨勢，說明發泡試驗數據和多相流場數值解析存在確定的相關性。
因此，在不完全清楚瀝青發泡機理和無法完全建立瀝青發泡過程模型的情況下，本文所建立的動力學模型在某種程度上能真實地反映不同結構發泡腔的瀝青發泡過程，在一定程度上表明該動力學模型對于求解不同結構發泡腔瀝青發泡過程是有效的。
瀝青發泡腔結構設計的評價機制盡管瀝青發泡在許多工程施工中得到應用，但是其發泡腔結構設計還無明確的評價機制。為滿足未來瀝青發泡裝置快速化設計的需求，本文提出瀝青發泡腔結構設計評價機制，在未做實際發泡腔試驗的前提下，依然可以用該評價機制來評價發泡腔結構設計的好壞。瀝青發泡腔結構設計評價機制建立在發泡腔多相流場解析結果的基礎上。為排除影響結果的極值點，從發泡腔中選取滿足瀝青體積分數大于5%且水體積分數大于5%的點，由這些點組成的區域稱為瀝青發泡敏感區域。
分別計算該區域內各個點的水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差、水蒸氣占水的比例，將計算得到的這3個變量與發泡試驗數據進行對比評價，以確定不同發泡腔結構設計的優良性。
將上述3個變量作為瀝青發泡腔結構設計的評價指標，以此來評價瀝青發泡腔結構設計。計算結果見表3.
將表3的計算結果與3個發泡腔的試驗數據進行對比分析，可以發現水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差呈現遞減趨勢，水蒸氣表3水占瀝青體積、溫度的平均值和標準差及水蒸氣占水的比例占水的比例呈現遞增趨勢，而發泡試驗數據中膨脹率和半衰期也呈現遞減趨勢，從而在一定程度上表明用水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差、水蒸氣占水的比例這3個評價指標來評價發泡腔結構設計是合理的。
進一步結合瀝青發泡機理，得到發泡腔結構設計的評價機制為：發泡腔發泡敏感區域內水占瀝青體積的平均值和標準差越大，溫度的平均值和標準差越大，水蒸氣占水比例越小，該發泡腔的結構設計越好。該評價機制可以實現未來瀝青發泡腔結構的快速化設計，推進泡沫瀝青的工程化應用。該對比評價機制不僅可以評價瀝青發泡腔的結構設計，而且還在一定程度上揭示了瀝青發泡機理。
通過對比評價機制，得到的結論是水占瀝青體積的平均值和標準差越大，溫度的平均值和標準差越大，水蒸氣占水比例越小，該發泡腔結構設計越好。從瀝青發泡機理微觀角度來解釋上述結論即是：發泡腔內瀝青與水的混合均勻度越差，溫度波動越大，水蒸氣越少，瀝青發泡效果越好。顯然，這一結論與傳統的瀝青發泡時瀝青與水混合越均勻越好的觀點相違背。
由此說明，瀝青發泡是復雜的強非線性動力學過程，傳統的線性力學觀點難以準確描述瀝青發泡動力學過程，而本文所建立的瀝青發泡腔多相流場解析與試驗的對比評價機制在一定程度上揭示了瀝青發泡機理，對瀝青發泡腔結構設計和瀝青發泡機理的深入探討提供了新的思路。
總結
（1）瀝青發泡是極其復雜的非線性動力學過程。在深入分析瀝青發泡機理的基礎上，建立了瀝青發泡的動力學模型；運用計算流體力學軟件解析瀝青發泡腔內的多相流場分布，通過與發泡試驗數據對第4期王安麟，等：瀝青發泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價625比后發現，該模型合理。
（2）提出了基于瀝青發泡腔多相流場解析與試驗的對比評價方法，并建立瀝青發泡腔結構設計的評價指標。與發泡試驗結果進行比較后得出的評價機制為：發泡腔發泡敏感區域內水占瀝青體積的平均值和標準差越大、溫度的平均值和標準差越大、水蒸氣占水比例越小，則發泡腔結構設計越好。同時在一定程度上揭示了瀝青發泡機理，即發泡腔內瀝青與水的混合均勻度越差、溫度波動越大、水蒸氣越少，則瀝青發泡效果越好。上述結論對瀝青發泡腔結構設計和瀝青發泡機理的深入研究具有重要意義。
關鍵詞：瀝青發泡腔；結構設計；多相流場；對比評價
瀝青發泡技術以其巨大的經濟效益和環保價值，在道路施工中得到越來越廣泛的應用。因而，國內外學者對瀝青發泡機理、泡沫瀝青特性評價指標做了大量研究，通過試驗測試研究了影響瀝青發泡質量的因素和最佳發泡條件，并提出了瀝青發泡質量控制方程及其參數化模型。
以上研究的共同點是：均研究了瀝青發泡條件對瀝青發泡效果的影響，但并未研究瀝青發泡過程中發泡腔內多相流場與瀝青發泡效果的關系，且未提出瀝青發泡腔結構設計的評價機制。
為此，本文建立了瀝青發泡過程的動力學模型，通過多相流場解析與試驗數據對比，驗證模型的有效性，在此模型的基礎上提出瀝青發泡腔結構設計的評價指標，得到瀝青發泡腔結構設計的評價機制，且在一定程度上說明瀝青發泡的機理。
瀝青發泡過程動力學模型瀝青發泡是具有相變和熱交換的復雜的強非線性動力學過程。瀝青被加熱至160℃以上，以一定壓力噴入發泡腔，此時處于環境溫度下的水和壓縮空氣從另一個噴口以一定壓力噴入發泡腔，三者在發泡腔中接觸，水分迅速蒸發，從而使瀝青產生爆炸泡沫，體積膨脹至原來的10至20倍，這時瀝青黏度急劇下降，與混合料具有較好的裹覆性。
瀝青發泡過程如圖1所示，發泡腔通常是圓柱體，上部開口為瀝青噴口，左右兩側為水和空氣噴口，泡沫瀝青從發泡腔底部噴出。該過程在發泡腔內的流動是三維流動問題，但按三維流動問題來分析多相流非常困難。為了簡化模型，本文用二維數值模擬來反映發泡腔內的流場情況。
采用計算流體力學軟件CFD對瀝青發泡過程中發泡腔內多相流場進行二維數值模擬，選擇volumeoffluid（VOF）模型，因為VOF模型適用于相變及熱交換的多相流場，而瀝青發泡是具有復雜相變和熱交換的多相流過程。
根據VOF模型進行參數設置，把空氣相作為可壓縮相，采用默認值；瀝青密度設為1092kg/m3,溫度設為160℃，熱傳導系數設為0.628W/（m·K），瀝青的動力黏度通過插值設定，插值點如表1所示；水溫設為20℃，密度為1000kg/m3,熱傳導系數設為0.6W/（m·K），動力黏度設為0.001003Pa·s.
選用帶旋流修正的k-ε湍流模型，利用PISO算法對控制方程進行離散化處理，通過對連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程的連續迭代求解，可以得到發泡腔內多相流場的數值解析結果，為更精確地描述瀝青發泡過程提供理論基礎。
瀝青發泡腔多相流場解析通用標準結構發泡腔流場的數值解析在上述動力學模型的基礎上，以通用標準結構發泡腔為研究對象，根據試驗實際情況，空氣入口壓力設定為0.3MPa,水入口速度設定為6.64m/s,瀝青入口速度設定為22.748m/s.利用計算流體力學軟件對動力學模型進行數值解析，得到發泡腔中瀝青、水、水蒸氣、空氣的多相流場分布，如圖2所示。
由圖2可見，壓縮空氣將高溫瀝青壓向水入口處，讓高溫瀝青和水充分接觸；高溫瀝青使水充分蒸發，從而使瀝青急速膨脹，產生爆炸性泡沫，即生成泡沫瀝青。解析結果符合瀝青發泡機理。
不同結構發泡腔的試驗數據與流場解析的對比分析瀝青發泡過程中，瀝青發泡參數（加水量、溫度等）一定時，發泡腔的不同結構尺寸對瀝青發泡效果有著至關重要的影響。
為了驗證上述動力學模型的有效性并制定瀝青發泡腔結構設計評價機制，本文通過改變發泡腔的結構尺寸，不改變其他條件，設計制造了3個結構發泡腔，并以膨脹率和半衰期作為評價指標進行瀝青發泡試驗。
試驗結果如圖3所示。對這3個結構發泡腔建立動力學模型，并利用計算流體力學軟件對發泡腔內多相流場進行解析，得到多相流場的分布情況。
在發泡腔內選取足夠多的點，得到各個點瀝青、水、空氣的體積分數，再計算3個發泡腔內瀝青、水、空氣各相體積分數的標準差，并進行比較，如表2所示。
由圖3及表2可見，3個發泡腔的膨脹率和半衰期均呈遞減趨勢，而根據其多相流場數值解析得到的瀝青、水、空氣各相體積分數的標準差也均呈遞減趨勢，說明發泡試驗數據和多相流場數值解析存在確定的相關性。
因此，在不完全清楚瀝青發泡機理和無法完全建立瀝青發泡過程模型的情況下，本文所建立的動力學模型在某種程度上能真實地反映不同結構發泡腔的瀝青發泡過程，在一定程度上表明該動力學模型對于求解不同結構發泡腔瀝青發泡過程是有效的。
瀝青發泡腔結構設計的評價機制盡管瀝青發泡在許多工程施工中得到應用，但是其發泡腔結構設計還無明確的評價機制。為滿足未來瀝青發泡裝置快速化設計的需求，本文提出瀝青發泡腔結構設計評價機制，在未做實際發泡腔試驗的前提下，依然可以用該評價機制來評價發泡腔結構設計的好壞。瀝青發泡腔結構設計評價機制建立在發泡腔多相流場解析結果的基礎上。為排除影響結果的極值點，從發泡腔中選取滿足瀝青體積分數大于5%且水體積分數大于5%的點，由這些點組成的區域稱為瀝青發泡敏感區域。
分別計算該區域內各個點的水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差、水蒸氣占水的比例，將計算得到的這3個變量與發泡試驗數據進行對比評價，以確定不同發泡腔結構設計的優良性。
將上述3個變量作為瀝青發泡腔結構設計的評價指標，以此來評價瀝青發泡腔結構設計。計算結果見表3.
將表3的計算結果與3個發泡腔的試驗數據進行對比分析，可以發現水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差呈現遞減趨勢，水蒸氣表3水占瀝青體積、溫度的平均值和標準差及水蒸氣占水的比例占水的比例呈現遞增趨勢，而發泡試驗數據中膨脹率和半衰期也呈現遞減趨勢，從而在一定程度上表明用水占瀝青體積的平均值和標準差、溫度的平均值和標準差、水蒸氣占水的比例這3個評價指標來評價發泡腔結構設計是合理的。
進一步結合瀝青發泡機理，得到發泡腔結構設計的評價機制為：發泡腔發泡敏感區域內水占瀝青體積的平均值和標準差越大，溫度的平均值和標準差越大，水蒸氣占水比例越小，該發泡腔的結構設計越好。該評價機制可以實現未來瀝青發泡腔結構的快速化設計，推進泡沫瀝青的工程化應用。該對比評價機制不僅可以評價瀝青發泡腔的結構設計，而且還在一定程度上揭示了瀝青發泡機理。
通過對比評價機制，得到的結論是水占瀝青體積的平均值和標準差越大，溫度的平均值和標準差越大，水蒸氣占水比例越小，該發泡腔結構設計越好。從瀝青發泡機理微觀角度來解釋上述結論即是：發泡腔內瀝青與水的混合均勻度越差，溫度波動越大，水蒸氣越少，瀝青發泡效果越好。顯然，這一結論與傳統的瀝青發泡時瀝青與水混合越均勻越好的觀點相違背。
由此說明，瀝青發泡是復雜的強非線性動力學過程，傳統的線性力學觀點難以準確描述瀝青發泡動力學過程，而本文所建立的瀝青發泡腔多相流場解析與試驗的對比評價機制在一定程度上揭示了瀝青發泡機理，對瀝青發泡腔結構設計和瀝青發泡機理的深入探討提供了新的思路。
總結
（1）瀝青發泡是極其復雜的非線性動力學過程。在深入分析瀝青發泡機理的基礎上，建立了瀝青發泡的動力學模型；運用計算流體力學軟件解析瀝青發泡腔內的多相流場分布，通過與發泡試驗數據對第4期王安麟，等：瀝青發泡腔內多相流場解析與試驗的對比評價625比后發現，該模型合理。
（2）提出了基于瀝青發泡腔多相流場解析與試驗的對比評價方法，并建立瀝青發泡腔結構設計的評價指標。與發泡試驗結果進行比較后得出的評價機制為：發泡腔發泡敏感區域內水占瀝青體積的平均值和標準差越大、溫度的平均值和標準差越大、水蒸氣占水比例越小，則發泡腔結構設計越好。同時在一定程度上揭示了瀝青發泡機理，即發泡腔內瀝青與水的混合均勻度越差、溫度波動越大、水蒸氣越少，則瀝青發泡效果越好。上述結論對瀝青發泡腔結構設計和瀝青發泡機理的深入研究具有重要意義。
