瀝青路面微波加熱再生建模技術(shù)研究.pdf

1、瀝青路面因具有行車舒適、維護(hù)方便等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于高等級公路及橋梁建設(shè)，由于受到行車荷載和自然環(huán)境等因素的影響，在投入使用后常常會出現(xiàn)各種病害，如裂縫、坑槽、麻面、車轍和波浪等，如何對瀝青路面進(jìn)行高質(zhì)量維修是迫切需要解決的問題。目前公路養(yǎng)護(hù)廣泛采用的現(xiàn)場紅外線輻射加熱能快速修復(fù)病害路面，卻很容易出現(xiàn)瀝青料表層焦化而里層未軟化現(xiàn)象。而采用微波加熱可克服這一缺陷，因?yàn)樵谖⒉訜徇^程中，在高頻交變電磁場的作用下，分子劇烈運(yùn)動并摩擦碰撞，產(chǎn)生

2、大量的熱量，從而實(shí)現(xiàn)電能與物料熱能的轉(zhuǎn)化，可達(dá)到混合料內(nèi)外部同時(shí)受熱的效果，具有加熱迅速、穿透深、可控制性強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　 本文以研制基于微波加熱的瀝青路面養(yǎng)護(hù)車為目的、以提高瀝青混合料再生質(zhì)量和電磁輻射效率為出發(fā)點(diǎn)，綜合運(yùn)用電磁學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和逆向工程等學(xué)科知識，對瀝青路面加熱再生關(guān)鍵模型的構(gòu)建進(jìn)行了研究，建立了電磁模型、傳熱模型、多電場耦合模型和能效評價(jià)模型，并研究了溫度控制策略。該研究體系為微波養(yǎng)護(hù)工程車的開發(fā)提供了雄厚的

3、理論基礎(chǔ)，為陣列式微波加熱墻的研制提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。本文主要工作如下：
　　 1、微波加熱再生電磁建模
　　 應(yīng)用麥克斯韋方程研究了輻射加熱器內(nèi)電場，根據(jù)惠更斯原理建立了微波加熱裝置的輻射電場數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輻射方向性理論提出了電磁優(yōu)化模型，建立了基于天線E面及H面長度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定了喇叭長度與其口面長度的幾何設(shè)計(jì)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測出了口面溫度場分布并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)行了變色硅膠加熱對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了電磁模型及電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

4、的正確性。利用Ansoft HFSS對喇叭天線進(jìn)行了建模并輸入求解條件，獲得了短長喇叭的E面、H面增益及總增益，為微波加熱裝置設(shè)計(jì)奠定了可靠的理論基礎(chǔ)。
　　 2、微波加熱再生傳熱分析
　　 分析了瀝青路面微波再生的換熱形式及其熱平衡，求解了對流換熱系數(shù)及輻射換熱發(fā)射率，建立了加熱區(qū)域內(nèi)外的導(dǎo)熱微分方程，采用交替方向顯(ADE)格式研究了傳熱模型的數(shù)值解法。對導(dǎo)熱模型進(jìn)行了降維處理，根據(jù)介質(zhì)的電磁損耗機(jī)理確定了內(nèi)熱源強(qiáng)度

5、，從實(shí)驗(yàn)角度求解了電場強(qiáng)度的數(shù)值。從理論角度建立了導(dǎo)熱邊界條件數(shù)學(xué)模型；并提出利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反求擬合邊界條件。對傳熱模型利用MATLAB偏微分方程工具箱進(jìn)行了模擬求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加熱過程中的熱量傳遞是非線性的，必須準(zhǔn)確控制加熱時(shí)間以保證修補(bǔ)質(zhì)量，模擬的溫度場分布可指導(dǎo)加熱器的設(shè)計(jì)和施工工藝的選擇。最后根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理對不同加熱器輻射下的瀝青混合料的吸熱狀況進(jìn)行評估。
　　 3、微波加熱再生能效評價(jià)
　　 根據(jù)B樣條建模理論建

6、立了加熱器再生瀝青混合料效果評價(jià)模型。采用最小二乘法求解出最佳基函數(shù)系數(shù)，從而擬合離散溫度數(shù)據(jù)的逼近曲線，實(shí)現(xiàn)誤差數(shù)據(jù)的去除與插補(bǔ)。將瀝青混合料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別測量各網(wǎng)格的溫度值，將各溫度測點(diǎn)的坐標(biāo)值參數(shù)化為標(biāo)準(zhǔn)序列，利用B樣條模型及其矩陣表達(dá)形式建立了離散溫度場的重構(gòu)模型。對建立的溫度場重構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，獲得溫度場在加熱區(qū)域的分布，求解得到不同的溫度分布概率，實(shí)現(xiàn)了熱再生效果的評價(jià)，通過計(jì)算散亂點(diǎn)與擬合曲面的距離分析了模型的精度

7、；通過對建立的連續(xù)型溫度分布模型進(jìn)行均值求解獲得不同結(jié)構(gòu)形式的輻射加熱器的能量利用情況，從而對加熱器的輻射效率進(jìn)行評價(jià)。
　　 4、微波加熱再生能效控制
　　 從三個(gè)方面研究了材料參數(shù)、電磁參數(shù)及其它不確定因素對加熱的溫度分布的影響。考慮材料及電場的物理性質(zhì)對縱向溫度場的影響，將瀝青料熱再生簡化成有內(nèi)熱源的滲透性平板傳熱問題，解出了縱向溫度控制方程并求得了精確的溫度解。通過對縱向溫度場的計(jì)算機(jī)模擬分析，發(fā)現(xiàn)固流面積比、介

8、電常數(shù)對縱向溫度的分布影響不大，而介電損耗因子及最大場強(qiáng)值影響著溫度的均勻性?？紤]不同的加熱方式和加熱器件對運(yùn)行過程中溫度分布的影響，通過加熱實(shí)驗(yàn)獲得的溫度場的比較分析，發(fā)現(xiàn)2M210磁控管在改善溫度均勻性和節(jié)約能源方面均優(yōu)于2M211、采用間隙為O.5分鐘的加熱方式可以改善熱再生效果?？紤]特殊天氣情況下傳質(zhì)對加熱能效的影響，建立了基于多孔介質(zhì)理論的傳質(zhì)模型，并對傳質(zhì)速度和能量吸收率進(jìn)行模擬。
　　 5、多源多腔微波加熱電磁耦合

9、建模
　　 建立了多源多腔微波加熱電磁耦合模型及耦合方向性分布模型。采用無源二端口網(wǎng)絡(luò)分析了二元耦合時(shí)的電磁互耦阻抗矩陣；利用傳輸線理論分析了耦合對電磁反射的影響機(jī)理及散射參量。將天線的輻射口面分解成若干面元，利用單個(gè)天線單元的輻射場的矢量疊加求解耦合后天線的輻射場，分別建立了二元、三元及多元的輻射干擾模型。重點(diǎn)研究了耦合作用對天線輻射方向性的影響，建立了H面和E面方向性系數(shù)的耦合模型，通過仿真討論了耦合后方向性系數(shù)和加熱器距離

10、及天線結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，分析研究給陣列式微波加熱墻的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　 6、微波加熱再生養(yǎng)護(hù)工程車開發(fā)
　　 確定了養(yǎng)護(hù)工程車的總體設(shè)計(jì)方案及加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)方法。著重分析了輻射喇叭天線的設(shè)計(jì)方法和微波發(fā)生器的原理，探討了基于截止特性和阻抗特性的防微波泄漏的設(shè)計(jì)原理并設(shè)計(jì)出一種防泄漏裝置。設(shè)計(jì)出了微波加熱系統(tǒng)框圖和電路圖，開發(fā)了多源多腔陣列式喇叭天線輻射墻和控制系統(tǒng)，完成了養(yǎng)護(hù)工程車的樣車試制。提出了改