梁 棟，張嘉俊，吳 鵬

(1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶 400074；2.浙江美通筑路機(jī)械股份有限公司， 浙江 嘉興 314423)

0 引言

瀝青路面作為我國高等級道路主要路面形式，占有率達(dá)到90%以上，且保有量仍在不斷增加，截至2020年底，我國瀝青路面里程數(shù)已達(dá)120萬公里左右，其中已有相當(dāng)數(shù)量接近設(shè)計(jì)服務(wù)年限[1-2]。瀝青路面長時(shí)間受不斷變化的天氣和公路負(fù)載的影響，加之材料的老化，瀝青層往往會(huì)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)出現(xiàn)各種早期病害，如車轍、裂縫、坑槽等。這些病害使得在瀝青路面上行駛的車輛安全性和舒適性大大降低。若使用傳統(tǒng)的銑刨、挖補(bǔ)技術(shù)對病害路面進(jìn)行維修處理[3-5]，會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料，為提升瀝青路面的使用年限，同時(shí)降低維護(hù)成本和原材料的浪費(fèi)，瀝青路面再生技術(shù)正逐步成為主流的公路養(yǎng)護(hù)手段。

瀝青路面再生技術(shù)主要包括就地冷再生、現(xiàn)場熱再生、廠拌熱再生和廠拌冷再生等[6-7]。其中現(xiàn)場熱再生在再生路面質(zhì)量、成本、實(shí)際可操作性等方面綜合表現(xiàn)最好。瀝青熱再生路面養(yǎng)護(hù)車以大型卡車底盤為平臺(tái)，加裝瀝青熱再生設(shè)備，因機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活方便、修補(bǔ)路面快和工程質(zhì)量高等特點(diǎn)廣受市場青睞。

然而，廢舊瀝青在加熱融化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣，還會(huì)在加熱攪拌的過程中揚(yáng)起大量灰塵。有機(jī)廢氣成分復(fù)雜，主要有氮氧化物、硫氧化物、多環(huán)芳烴等，特別是含有強(qiáng)致癌物苯并芘、咔唑類和蒽類衍生物等，對環(huán)境破壞極大，加之施工環(huán)境多為市區(qū)，對居民和路人的身體健康造成嚴(yán)重威脅。因此必須為其設(shè)計(jì)專門的除塵和廢氣凈化系統(tǒng)。

本文提出一種多級聯(lián)合處理的除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，它包含旋風(fēng)段、噴淋段和吸附段，通過多級分段處理的方式實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜成分廢氣的高效凈化；在建立的幾何模型基礎(chǔ)上，通過評估該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在各階模態(tài)下的頻率、應(yīng)變和模態(tài)振型，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)薄弱結(jié)構(gòu)；重點(diǎn)對具備塵氣分離功能的旋風(fēng)段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場分析，對其內(nèi)部流場特性、湍流強(qiáng)度、切向速度和速度場矢量進(jìn)行分析及對比，并以相關(guān)分析為參考，優(yōu)化旋風(fēng)段設(shè)計(jì)，以期提高除塵系統(tǒng)除塵效率和凈化效果，相關(guān)研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 除塵系統(tǒng)的物理模型

圖1是除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，除塵系統(tǒng)包括旋風(fēng)段、噴淋段和活性炭吸附段。整體長寬高為960 mm×878 mm×1 180 mm，車上的布置空間大小為1 300 mm×900 mm×1 600 mm。旋風(fēng)段最大直徑268 mm，噴淋段直徑510 mm，最大高度1 180 mm，噴淋段罐體高度1 080 mm。旋風(fēng)段由旋風(fēng)除塵器組成，利用廢氣中介質(zhì)相與顆粒相之間的密度差來實(shí)現(xiàn)兩相分離，氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入后由于旋風(fēng)段分離器特殊的錐筒狀結(jié)構(gòu)，氣流由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，粉塵顆粒受到遠(yuǎn)大于自身重力的離心力被甩向筒壁，最終沉降在旋風(fēng)除塵器底部的集塵盒中。圖2是除塵系統(tǒng)氣流流向圖，旋風(fēng)段通過管道與噴淋段相連，廢氣在旋風(fēng)段中預(yù)處理后進(jìn)入噴淋段。噴淋段由噴淋罐、噴淋管道、泵機(jī)和除霧板組成。噴淋罐中存儲(chǔ)的堿性液體通過泵機(jī)和噴淋管道在噴淋罐中循環(huán)噴淋，吸收廢氣中的硫化物。噴淋段通過管道與活性炭吸附段相連，活性炭吸附箱中放置有蜂窩狀活性炭，用于吸附強(qiáng)致癌物質(zhì)，頂部安裝離心風(fēng)機(jī)。

1.旋風(fēng)段; 2.噴淋段; 3.活性炭吸附段

1.旋風(fēng)段; 2.噴淋段; 3.活性炭吸附段; 4.進(jìn)氣口; 5.排氣口

除塵系統(tǒng)安裝固定在瀝青熱再生路面養(yǎng)護(hù)車上，由于整個(gè)系統(tǒng)的剛度小，易在自振激勵(lì)下產(chǎn)生變形，因此對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，以此改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

2 模態(tài)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 模型的簡化

為了使有限元網(wǎng)格劃分生成的單元形狀合理，提高計(jì)算分析的精度和效率，在建立有限元模型之前對幾何模型作以下簡化：忽略管道連接處的螺孔、螺釘和其他工藝小孔；忽略對計(jì)算結(jié)構(gòu)影響較小的泵機(jī)和噴淋管道；忽略活性炭箱柜上的抽屜、把手結(jié)構(gòu)；對倒角、倒圓作直線化處理。

2.2 網(wǎng)格劃分

整個(gè)模型的單元類型均選擇ANSYS中的Solid 187實(shí)體單元，它是一種10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元，具有易產(chǎn)生網(wǎng)格，對模型的適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格加密等優(yōu)點(diǎn)。通過提升四面體單元的密度提高計(jì)算精度，而不是全部采用六面體來提高精度，這樣的處理方法大大減少了模型前處理的時(shí)間。最終共劃分單元數(shù)量357 964，節(jié)點(diǎn)數(shù)量712 220。圖3是簡化后的模型的網(wǎng)格劃分圖。

圖3 網(wǎng)格劃分

除塵系統(tǒng)的底面固定在瀝青熱再生路面養(yǎng)護(hù)車上，故旋風(fēng)段、噴淋段和活性炭吸附段底面均采用固定約束。

2.3 除塵系統(tǒng)模態(tài)分析

基于有限元方法通過模態(tài)分析得到了除塵系統(tǒng)前十二階的固有頻率及振型[8]，共出現(xiàn)5處相對薄弱的結(jié)構(gòu)。前七階模態(tài)的最大變形出現(xiàn)在各部件相互連接的管道處，這可能是由于管道較長，且中間缺少約束導(dǎo)致的。一階、二階模態(tài)最大變形出現(xiàn)在旋風(fēng)器上部管道的彎拐處，最大變形量一階14.43 mm；三階、六階、七階模態(tài)最大變形出現(xiàn)在連接噴淋罐與吸附箱管道的下彎拐處，最大變形量三階19.464 mm；四階、五階模態(tài)最大變形出現(xiàn)在旋風(fēng)器排氣管底部，最大變形量四階30.373 mm；后五階模態(tài)出現(xiàn)在吸附箱和吸附箱頂部的離心風(fēng)機(jī)處，這可能是由于吸附箱柜壁過薄導(dǎo)致的。八階、九階模態(tài)最大變形出現(xiàn)在離心風(fēng)機(jī)排氣口，最大變形量42.045 mm；十、十一、十二階都出現(xiàn)在箱壁上，最大變形量18.106 mm，圖4是5處薄弱結(jié)構(gòu)的模態(tài)圖。

圖4 5處薄弱結(jié)構(gòu)模態(tài)圖

為優(yōu)化模態(tài)，從以下幾個(gè)角度改進(jìn)了模型：增加管道、箱體厚度，適度增加連接管道的約束，為箱體內(nèi)壁添加加強(qiáng)筋。

旋風(fēng)段與噴淋段的優(yōu)化如圖5所示，為增加旋風(fēng)器與噴淋罐之間管道的抗彎強(qiáng)度，將內(nèi)徑95 mm的圓柱管道更換為了75 mm×75 mm的方柱管道，并增加與噴淋管之間的約束，將旋風(fēng)分離器排氣管深度由380 mm改為20 mm，使用銷釘和連接柱與噴淋罐相連，每隔340 mm設(shè)置一處，一共3處。

圖5 旋風(fēng)段-噴淋段連接管優(yōu)化

噴淋段-活性炭吸附段連接管優(yōu)化如圖6所示，增加噴淋罐與活性炭吸附箱之間管道的約束，使用銷釘和連接柱與噴淋罐連接，每隔377 mm設(shè)置一處，一共3處。

圖6 噴淋段-活性炭吸附段連接管優(yōu)化

活性炭吸附箱優(yōu)化如圖7所示，在活性炭吸附箱內(nèi)壁上增添加4 mm井字形強(qiáng)筋，中間區(qū)域采用4 mm X型加強(qiáng)筋，離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化如圖8所示，為離心風(fēng)機(jī)四周增添4根10 mm×10 mm的立柱。

圖7 活性炭吸附箱優(yōu)化

圖8 離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化

這些改進(jìn)都明顯增加了結(jié)構(gòu)的剛度，提高了模態(tài)頻率，圖9是優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模態(tài)圖。旋風(fēng)器上部管道的彎拐處的最大模態(tài)變形減小到10.181 mm，排氣管底部最大模態(tài)變形減小為11.047 mm，噴淋罐與活性炭吸附箱連接管道的下彎拐處的最大模態(tài)變形減小為9.783 mm，離心風(fēng)機(jī)排氣口不再是薄弱結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的模態(tài)變到了活性炭吸附箱側(cè)壁，最大模態(tài)變形14.451 mm。優(yōu)化前后薄弱結(jié)構(gòu)的變形量與系統(tǒng)前十二階模態(tài)固有頻率如表1、表2所示。

圖9 5處薄弱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模態(tài)圖

表1 優(yōu)化前后薄弱結(jié)構(gòu)的變形量

表2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的固有頻率

續(xù)表(表2)

3 FLUENT流場仿真與分析

旋風(fēng)段是對瀝青廢氣進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)氣固混合物分離的重要部分，由于旋風(fēng)段分離器內(nèi)部流體流動(dòng)復(fù)雜多變，不同結(jié)構(gòu)對其分離效率和壓力損失的影響往往是交互的，難以采用實(shí)驗(yàn)分析其內(nèi)部流場特性，因此采用數(shù)值模擬的方法分析了旋風(fēng)段分離器排氣管深度不同時(shí)的“煙囪效應(yīng)”對除塵效率的影響，以此改善結(jié)構(gòu)。

3.1 旋風(fēng)段的幾何模型

圖10是旋風(fēng)段分離器結(jié)構(gòu)示意圖，其主要的結(jié)構(gòu)包括入口高度a、入口寬度b、筒體高度Ho、總高度H、排氣管深度L、排氣管直徑Da、筒體直徑D和集塵口直徑Db。環(huán)形空間為旋風(fēng)段分離器的圓柱狀空間，環(huán)形空間高度即為Ho，分離空間為旋風(fēng)段分離器的錐狀空間，分離空間高度即為H-Ho。

圖10 旋風(fēng)段分離器結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)學(xué)模型的選擇

旋風(fēng)段分離器內(nèi)部的流場流動(dòng)是極其復(fù)雜的三維、氣固兩相旋轉(zhuǎn)湍流，具有明顯的各向異性，因此選用雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM)分析。RSM模型嚴(yán)格考慮了流線彎曲、渦旋的影響，對復(fù)雜的湍流模擬有更高的精度[9-10]。

RSM湍流基本控制方程組由連續(xù)性方程、N-S方程、雷諾應(yīng)力方程、湍動(dòng)能方程和耗散率方程組成。假定旋風(fēng)段分離器中的流體是不可壓縮的、等溫的，相應(yīng)的控制方程如下[11-14]：

連續(xù)性方程

(1)

Navier-Stokes方程

(2)

其中，i、j、k為常數(shù)；μg為氣體黏滯系數(shù)；ρg為氣體密度；τij為雷諾應(yīng)力項(xiàng)。

雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程

(3)

其中,Dij為擴(kuò)散運(yùn)輸項(xiàng)；Pij為應(yīng)力生產(chǎn)項(xiàng)； ∏ij為壓力-應(yīng)力關(guān)聯(lián)項(xiàng)；εij為耗散項(xiàng)。

湍動(dòng)能方程

(4)

耗散率方程

(5)

其中，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

對粉塵顆粒的模擬選用節(jié)省算力的DPM模型[15-17]，而非將顆粒單獨(dú)視為一相(VOF多相流模型)。由于旋風(fēng)分離器對直徑10 μm以上的顆粒的分離效率已達(dá)99%，故本文模擬的粉塵顆粒直徑為1～10 μm，總跟蹤1 200個(gè)粒子。

采用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合方程[18]，使用具有二階精度的QUICK差分格式控制離散。

旋風(fēng)段分離器的分離效率由如下公式計(jì)算：

(6)

3.3 邊界條件

入口邊界條件：速度壓力入口，進(jìn)氣速度10 m/s，水力直徑74.82 mm

出口邊界條件：壓力出口，壓力等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，水力直徑95 mm。

壁面邊界條件：無滑移邊界條件，顆粒撞擊后被反彈。

當(dāng)粉塵顆粒經(jīng)過出口時(shí)視為逃逸，捕捉失敗，掉落到集塵盒底部時(shí)視為捕捉成功。

3.4 仿真結(jié)果

圖11—13是不同排氣管深度下旋風(fēng)段分離器靜壓云圖、切向速度云圖和湍流強(qiáng)度云圖。

圖11 排氣管深度75 mm,150 mm,225 mm,300 mm,375 mm時(shí)靜壓云圖

圖12 排氣管深度為75 mm,150 mm,225 mm,300 mm,375 mm時(shí)切向速度云圖

圖13 排氣管深度為75 mm,150 mm,225 mm,300 mm,375 mm時(shí)湍流強(qiáng)度云圖

分析表明旋風(fēng)段分離器中心負(fù)壓區(qū)靜壓隨排氣管深度的增加而增加，且始終在排氣管下進(jìn)氣口處，這是因?yàn)榕艢夤苡幸欢ㄉ疃?，在旋風(fēng)段分離器中產(chǎn)生了煙囪效應(yīng)，管道內(nèi)的廢氣溫度高，受大氣浮力的作用，具有一定的幾何壓頭，在排氣管底部形成負(fù)壓，這種負(fù)壓產(chǎn)生的抽力使旋風(fēng)段分離器中向下的旋流轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系男?。氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入并開始旋轉(zhuǎn)，旋風(fēng)器兩側(cè)壁面的正壓也隨排氣管深度的增加而增加，因而總壓降增大。

越靠近中心柱芯，靜壓越小，隨著排氣管深度的增加，柱芯靜壓分布越均勻、越對稱。同樣的規(guī)律可見于切向速度云圖，排氣管深度的增加使得柱芯的切向速度穩(wěn)定性增加，速度波動(dòng)范圍減小，上升旋流的速度減緩，微小的顆粒更難被上升的氣流帶離旋風(fēng)段分離器。這使得旋風(fēng)段分離器對塵氣的分離效率增加，但這一規(guī)律在排氣管深度超過旋風(fēng)段分離器的環(huán)形空間時(shí)有所減弱。排氣管深度增加的同時(shí)壓降也是增加的，排氣管深度增加時(shí)湍流強(qiáng)度增大，流體的能量耗散大，而且會(huì)使排氣管的撓度增大。排氣管深度對旋風(fēng)分離器性能的影響如表3所示。

表3 不同排氣管深度時(shí)的壓力損失和分離效率

同一高度截面z=225 mm，排氣管深度為225、300、375 mm時(shí)，旋風(fēng)段分離器內(nèi)部流場速度矢量如圖14—16所示。

圖14 排氣管深度225 mm時(shí)，旋風(fēng)段分離器內(nèi)部流場速度矢量

圖15 排氣管深度300 mm時(shí)，旋風(fēng)段分離器內(nèi)部流場速度矢量

圖16 排氣管深度375 mm時(shí)，旋風(fēng)段分離器內(nèi)部流場速度矢量

旋風(fēng)段分離器內(nèi)部同一高度截面下，不同排氣管深度的速度矢量圖表明，當(dāng)排氣管深度超過環(huán)形空間時(shí)，中心氣旋的上升速度有較大程度的下降，而后繼續(xù)增加深度對降低中心氣旋上升速度的作用不明顯。結(jié)合除塵系統(tǒng)的模態(tài)分析，宜將排氣管深度設(shè)置為環(huán)形空間相同深度，即225 mm。

4 結(jié)論

1) 提出了一種瀝青熱再生路面養(yǎng)護(hù)車除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用多級聯(lián)合處理思路完成旋風(fēng)段、噴淋段和吸附段設(shè)計(jì)。采用有限元方法完成了除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，找出5處薄弱結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)，通過增加管道、箱體厚度、適度增加約束和加強(qiáng)筋的方式優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，改善了各階模態(tài)下的固有頻率和應(yīng)變。

2) 利用CFD數(shù)值模擬的方法對除塵系統(tǒng)的旋風(fēng)段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，其內(nèi)部的靜壓和切向速度基本呈對稱分布，隨著旋風(fēng)段分離器排氣管深度的增加，中心氣旋的靜壓分布和切向速度越發(fā)對稱、穩(wěn)定，同時(shí)排氣管底部的湍流強(qiáng)度增加，增大了湍流耗散，導(dǎo)致壓力損失略有增加。

3) 旋風(fēng)段分離器中心上升氣旋的切向速度隨排氣管深度的增加而減小，這使得微小的粉塵顆粒更難被上升的氣流帶離旋風(fēng)器，避免了沉降的灰塵被再次揚(yáng)起，提高了分離效率。當(dāng)排氣管深度超過筒體高度，即環(huán)形空間高度，這一影響有所減弱。為盡量增大除塵效率，同時(shí)保證壓力損失不會(huì)過大，將排氣管深度設(shè)計(jì)為等于筒體高度225 mm，仿真結(jié)果表明，旋風(fēng)段分離器對顆粒直徑為1～10 μm 的粉塵的分離效率為94.3%，壓力損失為429.85 Pa。