基于微波加热的沥青混合料热电耦合场基础理论研究

采用微波加热实现沥青混合料再生可克服红外线加热再生的易焦化的缺陷，达到混合料内外部同时受热的效果，具有加热迅速、穿透深、可控制性强等特点。本项目运用电磁学、传热学等学科知识，研究基于微波加热的沥青混合料热电耦合场基础理论。主要研究内容包括：应用麦克斯韦方程研究辐射加热器内电场分布，建立微波加热装置的辐射电场数学模型，根据辐射方向性理论提出电磁优化模型；建立阵列式加热装置的导热微分方程，应用传热理论推导传热边界条件模型；建立微波加热实验平台与软件测试平台，采用逆向工程原理对模型进行修正；根据材料介电损耗，建立电磁分布与加热的内热源的关系，实现热电耦合场建模，研究微元体热流连续方程，实现耦合场的数值求解，建立耦合场模型和结构优化模型的关联。本项目将微波加热技术与沥青混合料热再生技术相结合，将在微波热再生领域建立一套基础理论，为开发研制出新一代热再生养护机械提供设计依据。

本项目以提高沥青混合料再生温度场均匀性和电磁辐射效率为目的，对基于微波加热的沥青混合料热电耦合理论进行了研究，在传热传质模型、介电损耗特性、热电耦合模型及能效评价方法等方面取得了一定的突破。将沥青混合料简化为多孔介质模型，研究其热湿迁移规律。建立了电磁扩散模型、沥青混合料的热量迁移模型；研究了湿分的热质传递规律，发现了再生过程的压力梯度随加热温度的升高而升高、沥青混合料中心加热区域温度较周边温度高，通过分析湿度的温度变化发现水分和沥青混合料温升的关系。建立了传质控制模型，该模型包括连续方程、能量守恒方程、运动方程和蒸汽扩散方程，计算得到了传质速度在深度方向上的变化规律，以及含水率对耗散的能量的影响。研究了影响电磁能转化的关键电磁特性参数，获得了场强在沥青混合料的衰减及介电损耗规律，发现了场强与电磁入射深度的关系、衰减常数和电磁能利用率的关系、材料介电常数及介电损耗正切与场强衰减的关系，提高内热源强度能显著提高沥青混合料加热温度。应用傅立叶定律建立了串联、并联及Maxwell等形式的热传导方程及导热系数模型，研究了角锥喇叭天线的电磁辐射电场模型，利用沥青混合料的介电特性，将电磁场和热场进行了耦合，建立了热电耦合模型并进行了数值模拟，发现了沥青的含量对温度场影响很小，温度场主要取决于微波的特性及聚集料的物性参数与电磁参数。