沥青路面现场微波加热再生模型与实验_ 朱松青.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流沥青路面现场微波加热再生模型与实验_ 朱松青.精品文档.本文档下载自文档之家，如果内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：沥青路面现场微波加热再生模型与实验_朱松青第36卷第3期2006年5月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)Vol136No13May2006沥青路面现场微波加热再生模型与实验朱松青1,2史金飞 王鸿翔11(1东南大学机械工程学院,南京210096)(2徐州师范大学电气工程系,徐州221008)摘要:为了求解微波加热再生沥青

2、混合料内的温度分布,研究了由于沥青混合料介电常数和比热容是温变参数,从而导致电磁场分布和吸收微波功率的非线性变化.建立了电磁场控制方程和热传递方程耦合的二维非线性热电耦合模型,提出了按微波周期为时间步长交替迭代求解该非线性模型的求解方法.使用了工作频率为2145GHz的微波系统,通过连续或间歇辐射加热方式,对不同体积的沥青混合料进行了加热实验.实验结果证实了微波加热再生通过辐射热传递能实现瞬间体积加热,具有快速、加热均匀、保证质量和无污染等特点.关键词:现场热再生;微波加热;热电耦合模型;辐射屏蔽中图分类号:U41816 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2006)03-0393-

3、04Modelingandexperimentofmicrowaveheatingforhotin-placerecyclingofasphaltpavementsZhuSongqing1,2ShiJinfei WangHongxiang11(1CollegeofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)(2DepartmentofElectricalEngineering,XuzhouNormalUniversity,Xuzhou221008,China)Abstract:Forthepurposeofasce

4、rtainingthetemperaturedistributioninrecyclingasphaltmixtures,thenonlinearprocessesofmicrowaveheatingwasstudiedtakingdielectricpermittivityandspecificheatofasphaltmixturesastemperature-dependentparameters,whichresultedinanonlinearvariationofe-lectromagnetismfielddistributionandmicrowavepowerabsorptio

5、n.Anonlineartwo-dimensionalther-mo-electromagneticcouplingmodelfortheelectromagneticandtheheattransferprocessesequationsisproposed,andasolutionapproachbasedonanalternateiterationwithatime-stepofmicrowavecycleissuggested.Bycontinuousorinteranittentradiationheatingexperimentwithamicrowavepowersys-temi

6、n2145GHz,itisshownthatinstantaneousvolumeheatingcanbeachievedbymicrowaveheatingthroughradiationheattransfer.Themicrowaveheatingischaracterizedbyitsrate,uniformityandnon-pollutioninhotin-placerecycling.Keywords:hotin-placerecycling;microwaveheating;thermo-electromagneticcouplingmode;lradia-tionshield

7、ing 沥青路面在行车荷载和自然因素的作用下,不可避免会出现诸如裂缝、坑槽、纵向开裂等路面病害,如不及时修复,将损害道路的使用寿命,严重影响行车人员的舒适性和安全性,也带来后续养护维修工作量和工作难度的增加.为快速经济地修复路收稿日期:2005-12-20.基金项目:教育部科学技术研究重点资助项目(03081,105085)、江苏省教育厅产业化研究资助项目(JH03-004).作者简介:朱松青(1969),男,博士生;史金飞(联系人),男,博士,教授,博士生导师,ijfseu.edu.面病害,日常性沥青路面维修主要使用现场热再生技术.目前,世界各地广泛使用红外加热技术实现沥青路面现场热再生.采

8、用红外加热技术存在一系列不足:如易使沥青老化,加热不均匀,极容易出现表面沥青焦化而里层还未达到施工温度等;此外,由于采用煤气燃烧,也存在安全性和环境方面的问题.微波作为一种新型能源,已在工业上得到了广泛的应用.微波加热依靠增加材料分子运动的动能来使加热物体升温,加热是由内及外,具有深部加东南大学学报(自然科学版) 第36卷热、热惯性小、控制容易的特点,特别适合导热性能极差的沥青路面的加热,并且不受气候限制,可以一年四季全天候工作,将微波加热技术与现场路面热再生技术结合起来,可以更好地解决目前路面加热技术中存在的不足.沥青路面微波现场加热再生最早由Bosisio等进行了现场实施,实验使用一个11

9、2kW的微波系统,通过融化修补沥青路面的坑槽对冬季路面进行维护1而其余属性参数认为是不变的常量,建立二维非线性热电耦合模型.111 电磁场控制方程控制微波加热材料的方程是Maxwell方程,控制微波辐射的传播.根据Maxwell方程得E=-55B, H=J D(1)#D=Q, #B=0.Thu?ry研制出总功率达100kW的微波修2式中,E为电场强度;D为电通量密度;H为磁场强度;B为磁通量密度;J为电流密度;Q为电荷密度.对沥青混合料,B,H,D,E,J存在简单的本构关系:B=LH,D=EE,J=RE式中,L为磁导率;E为介电常数;R为电导率.在微波加热沥青混合料过程中,混合料上表面直接暴露

10、在微波场内,如图1所示.对于一个沿z方向入射的平面波,在没有一般损失的前提下,可以假定电场是沿x方向而磁场沿y方向.如果节点的自由电荷Q=0,在磁导率和电导率不变,平面波在z方向传播的情况下,沥青混合料内电磁场分布可由如下简化的麦氏方程确定:Ex=-L5y(3)(2)补工程车对沥青高速公路裂缝和坑槽进行现场热再生修补的实验.作为实验的一部分,文献35验证了微波加热对改善沥青混合料性能的作用以及不同沥青混合料的微波吸收性能.这些研究主要侧重于微波加热沥青混合料过程的实验现象的研究,而对实验现象产生的原因仅进行了一些推测,没有根据实验的条件和过程对这些推测进行理论验证.随着研究的深入和实际应用的临

11、近,现场微波加热再生需要控制加热温度和加热深度,需了解沥青混合料受热后温度分布,这一领域理论工作的重要性才被人们认识.Zanko等对微波加热沥青混合料进行了首次理论的分析,提出在横向传递的热量假设忽略不计和不考虑微波场情况下的一维热平衡模型6.作为一个参考,Liu等7建立了微波加热的三维模型.但这些分析都是基于材料属性不随温度而变化,计算模型是线性的,显然,这些分析有一定的局限性.在实际的微波加热中,材料的属性参数是温变参数8Hy=REx E(T)Ex5t式中,相对复介电常数E=Ec-jEdeff,为温度的函数,其中Ec为相对介电常数,Edeff为介电损耗因子,由此得出的Ex,Hy为复数值;T

12、为沥青混合料内的温度;磁导率L和电导率R是不变的常量.,随加热过程所吸收的微波功率和热传输条件等因素变化,导致电磁场分布和吸收的微波功率变化,加热过程一般是非线性的.为了更客观地反映微波加热过程,本文在将沥青混合料作为慢温变材料的情况下建立一个二维非线性热电耦合模型,并提出一个合适的求解方法.1 热电耦合模型现场微波加热再生的热电耦合模型涉及到电磁场控制方程和传热控制方程,为了完整解出热电耦合模型,需要了解沥青混合料的材料属性.理论上,沥青混合料的传热性能、介电性能和导磁性能都依赖于温度,精确地对沥青混合料所有属性参数随温度变化的关系进行测定是不现实的,只能选取其主要属性参数而将其余参数看作恒

13、定不变.本文在建立微波加热沥青混合料热电耦合模型时,选取沥青混合料介电常数E和比热容Cp图1 微波加热沥青原理图112 沥青混合料内功率损耗微波入射沥青混合料前,电场和磁场在自由空间(空气),微波平均入射功率损耗可由时间和电场强度的方程得出:Re(E0e)P0=240P度;X为微波的角频率.,jXt2(4)式中,E0为由入射功率密度决定的微波的电场强混合料受热,温度上升.因微波频率较高(2145GHz),按正弦规律变化的微波场的时间与沥青混合料内温度变化时间相比极小,因此在微波辐射范围内,按时间平均的微波功率损耗为P=式中,a,b为拟合系数,沥青混合料介电常数可在2145GHz频率下,使用谐振

14、腔行拟合得出.9和网络分析仪组成的测量系统,测得不同温度点的介电常数值后进沥青混合料的主要成分是聚集料和沥青质,聚集料和沥青质的比热容均是温度的一次函数,随温度的上升而缓慢增加.因此沥青混合料的比热容可由这两者加权平均求出,并将聚集料和沥青质在混合料中所占的质量比例作为各自权重.XEdeff(240PP0)Ex/E022(5)113 沥青混合料内的热传递本文在热传递分析中仅考虑热传导,则沥青混合料的温度分布T随时间变化的规律由热传导方程确定,即QCp(T) Jeff25T(x,y,t)=5t22 微波加热实验211 实验装置和材料设计了一个工作频率为2145GHz、功率分别(6)为400和80

15、0W的微波能发生装置进行实验,如图2所示.为了产生所要求的工作模式,专门设计了一个激励腔.微波通过激励腔激励后进入锥形扩展波导,锥形扩展波导被直接放置在沥青混合料上.实验前先进行辐射检验,用AV3941辐射危险计在无防护措施的前提下,距离实验装置2m左右,测得微波辐射功率密度达8mW/cm,微波泄漏严重超出安全规程.考虑操作人员的安全,制作了金属网罩对其进行屏蔽,在距离实验装置015m处,微波泄漏值降为0117mW/cm,可以安全工作.文献1011采用红外测温仪测量沥青混合料表面温度,用K型热电偶测量芯部温度.对不同见方的沥青混合料块料和散料试样进行了连续或间歇的微波加热实验.22 P*(x,

16、y) 5x5y式中,Q为沥青混合料密度;Jeff为热传导率,是不变的常量;Cp为比热容,是温度的函数.114 热电耦合模型的求解方法将微分方程(3)和(6)进行热电耦合,难于用解析方法进行求解.由于方程组的非线性,直接对式(3)和(6)进行数值离散计算,计算量太大而很难实现.为此本文提出一个基于交替迭代法的求解方法.在实际微波加热沥青混合料过程中,沥青混合料的温升与微波频率相比是缓慢的,由此可认为在一个相当小的时间间隔内因沥青混合料的介电常数和比热容引起的电磁场变化不大,即在小时间间隔内是线性的.因此,可按微波周期为时间步长交替迭代求解电磁场方程和热传导方程:将整个加热过程离散成若干个小时间间

17、隔,在每个小时间间隔内可认为沥青混合料的介电常数是线性的;在条件的情况下,求解方程(3),获得该时间间隔内的电磁场的Ex和Hy以及沥青混合料内的平均微波功率损耗密度P;将所求得的P代入热传导方程(6),求出经本次小时间间隔加热后沥青混合料的温度T;根据求得的温度T求解新的E和Cp,并将其作为下一个小时间间隔的初始值,重复,直到整个加热过程完成.一般材料的介电参数是温度的指数函数,沥青混合料的介电参数满足如下关系:E=exp T(7)图2 微波加热实验装置212 实验结果与分析微波加热路面沥青混合料的实验结果如表1所示.加热方式连续间歇东南大学学报(自然科学版)表1 微波加热沥青混合料实验结果第

18、36卷试样尺寸/微波功率/W(mmmmmm)100100100100100100757575757575散料(下垫纸)400800400800800试样温度/e加热时间/min初始表面温度2020202020芯部温度81838198151终了表面温度53818087149试样状态试样从芯部软化试样已全部软化试样已全部软化试样已全部软化纸略焦,试样无任何焦化42-(3)-2-(3)-2-(3)-1-(3)-1-(2)-1间歇1-(215)-1-(215)-1-(215)-015-(2.5)-015-(215)-4连续3间歇1215-(2)-1-(2)-1-(2)-115-(2)-115注:括号内

19、为停止加热时间.从表1的实验数据可得出沥青混合料微波加热再生具有如下特点:1)微波加热沥青混合料属于体积加热,试样从芯部开始软化,热量传递由内及外.2)当采用连续加热时,芯部温度要比表面温度略高;而采用间歇加热,则芯部和表面温度基本一致,主要原因是间歇加热中停止加热时,沥青混合料内通过热传导实现了均温.3)微波能穿透沥青混合料较深的厚度(大于100mm),可以满足现场维修深度(4060mm)的要求.4)微波加热沥青混合料即使在较高温度时也不会出现沥青焦化现象,其主要因素是沥青混合料中聚集料吸收微波而沥青质几乎不吸收微波,对混合料温升起主要贡献的是聚集料,聚集料吸收微波能后将热量传递给沥青质.5

20、)为了缩短加热时间,必须提高微波加热强度(即功率密度).nancewithamobilemicrowavepowerunitJ.JournalofMicrowavePower,1974,9(4):381386.2Thu?ryJ.Microwaves:industrial,scientific,andmedicalapplicationM.Norwood:ArtechHouse,1992:215216.3A-lOhalyAA,TerrelRL.EffectofmicrowaveheatingonadhesionandmoisturedamageofasphaltmixturesJ.Transpo

21、rtationResearchRecord,1988(1171):2736.4ShoenbergerJE,RollingsRS,GrahamRT.PropertiesofmicrowaverecycledasphaltcementbindersC/Pro-ceedingsoftheConferenceonPhysicalPropertiesofAs-phaltCementBinders.Dallas,TX,USA:ASTMSpecialTechnicalPublication,1995,1241:199213.5HopstockDM.Microwave-absorbingroadconstru

22、ctionandrepairmaterialR.Minnesota,USA:FinalReporttoNRRIonIdeaEvaluationSubcontract,2003.6ZankoLM,HopstockDM.Minnesotataconiteasam-icrowave-absorbingroadaggregatematerialfordeicingandpotholepatchingapplicationsR.Minnesota,USA:Min-nesotaDepartmentofTransportationResearchServicesSection,2004.7LiuB,Marc

23、hantTR.Themicrowaveheatingofthree-d-imensionalblocksJ.IMAJournalofApplicationMathe-matics,2002,67(2):145175.8MaLizhuang,PaulDL,PothecaryN,eta.lExperimentalvalidationofacombinedelectromagneticandthermalFDTDmodelofamicrowaveheatingprocessJ.IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1995,43(11):256

24、52572.9殷之文.电介质物理学M.2版.北京:科学出版社,2003:588591.10CuccurulloG,BerardiPG,CarfagnaR,eta.lIRtem-peraturemeasurementinmicrowaveheatingJ.Infra-redPhysics&Technology,2002,43(35):145150.11邹建,饶程,顾兴志,等.微波场中温度传感方法J.压电与声光,2003,25(2):170174.ZouJian,RaoCheng,GuXingzh,ieta.lMethodsoftem-peraturesensinginmicrowavefield

25、J.Piezoelectrics&Acoustooptics,2003,25(2):170174.(inChinese)3 结 语本文在基于沥青混合料的介电常数和比热容是温度的函数而其他属性参数不变的情况下,建立了分析微波加热沥青混合料内温度分布的二维非线性热电耦合模型,并提出了按一定时间步长求解该模型的交替迭代方法,不失一般性,该方法可推广到三维加热问题.通过专门设计的微波加热实验装置,在采用适当的屏蔽措施后,对不同沥青混合料采用不同加热方式,得出了微波加热具有迅速、穿透深、加热均匀及无沥青焦化现象等特点,实验结果对沥青路面现场热再生采用微波加热有具体的指导意义.参考文献(References)1BosisioRG,SpoonerJ,GrangerJ.Asphaltroadmainte-文档之家-首选的文档分享与下载平台，提供工作总结模板下载，学术论文下载，小学初中高中教学课件下载，资格考试资料下载，英语等级考试习题与答案等下载。文档之家