基于格子Boltzmann方法的沥青发泡机理研究

泡沫沥青再生技术作为公路建设领域的创新技术，正以其节能、环保等优势，被世界各国广泛关注。项目以支持开发高水平沥青发泡装备为最高目标,以发泡腔内高温AH70沥青、常温饱和水、压缩空气三相介质瞬态高温射流直接接触的沥青发泡过程为研究对象，研究沥青发泡机理的定量化模型表达，通过自下而上的自组织建模理论和方法揭示沥青发泡这一复杂非线性动力学现象。从理论上讲，考虑沥青发泡条件以及三相介质在发泡腔内的流动、传热以及相变等物理过程的复杂动力学效应，从沥青发泡原理的微观本质出发，利用格子Boltzmann方法建立沥青发泡过程的介观动力学模型。从应用上讲，以沥青发泡物理实验为参照，建立沥青发泡条件与沥青发泡机理模型间的映射关系，验证沥青发泡机理模型的有效性，分析基于沥青发泡性能评价的沥青发泡条件和参数的敏感度。项目成果对沥青发泡装置的高精度控制和创新设计具有明确的应用背景和科学价值。

泡沫沥青再生技术作为公路建设领域的创新技术，正以其节能、环保等优势，被世界各国广泛关注。项目以支持开发高水平沥青发泡装备为最高目标，以发泡腔内沥青、水及空气多组分多相传热射流为研究对象，利用介观的格子Boltzmann方法（LBM）建立数值模型并结合沥青发泡试验，系统性地对沥青发泡机理进行了深入研究。首先，提出了大粘度比伪势格子Boltzmann（LB）模型，使LBM可满足沥青发泡过程中沥青-水这样大粘度比多组分流的模拟；为了实现沥青发泡过程中多组分流体混合流动的热传递，提出了一种多组分多相流传热LB模型；通过LBM与传统计算流体动力学（CFD）方法在类似沥青发泡中多入口腔内流场的模拟对比，发现LBM比传统方法更适合这类复杂流场的研究；同时，设计并制造了一台“移动式单头沥青发泡试验设备”；利用该试验设备进行了不同发泡条件的沥青发泡试验；完成了面向沥青搅拌站的沥青发泡设备的参数化设计；随后，利用大粘度比伪势LB模型实现了压力差下单气泡通过小孔膨胀现象的模拟，从一定程度上反映了泡沫沥青从发泡腔内到喷出腔外的动力学机理；基于LBM模拟结果与沥青发泡试验结果，构建了一种有效混合区域评价方法，建立了发泡腔内流场与生成泡沫沥青的关系，对沥青发泡机理认识及发泡设备再设计具有理论指导作用。