详情

原文传递沥青路面微波加热再生建模技术研究

论文题名：	沥青路面微波加热再生建模技术研究
关键词：	工程机械;微波加热再生;电磁模型;传热模型;能效评价;能效控制;电磁耦合;沥青路面
摘要：	沥青路面因具有行车舒适、维护方便等特点，而广泛应用于高等级公路及桥梁建设，由于受到行车荷载和自然环境等因素的影响，在投入使用后常常会出现各种病害，如裂缝、坑槽、麻面、车辙和波浪等，如何对沥青路面进行高质量维修是迫切需要解决的问题。目前公路养护广泛采用的现场红外线辐射加热能快速修复病害路面，却很容易出现沥青料表层焦化而里层未软化现象。而采用微波加热可克服这一缺陷，因为在微波加热过程中，在高频交变电磁场的作用下，分子剧烈运动并摩擦碰撞，产生大量的热量，从而实现电能与物料热能的转化，可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。　　本文以研制基于微波加热的沥青路面养护车为目的、以提高沥青混合料再生质量和电磁辐射效率为出发点，综合运用电磁学、传热传质学和逆向工程等学科知识，对沥青路面加热再生关键模型的构建进行了研究，建立了电磁模型、传热模型、多电场耦合模型和能效评价模型，并研究了温度控制策略。该研究体系为微波养护工程车的开发提供了雄厚的理论基础，为阵列式微波加热墙的研制提供了设计依据。本文主要工作如下：　　 1、微波加热再生电磁建模　　应用麦克斯韦方程研究了辐射加热器内电场，根据惠更斯原理建立了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了电磁优化模型，建立了基于天线E面及H面长度的设计准则，确定了喇叭长度与其口面长度的几何设计关系。实验测出了口面温度场分布并进行了计算机模拟，进行了变色硅胶加热对比实验，结果验证了电磁模型及电磁优化设计的正确性。利用Ansoft HFSS对喇叭天线进行了建模并输入求解条件，获得了短长喇叭的E面、H面增益及总增益，为微波加热装置设计奠定了可靠的理论基础。　　 2、微波加热再生传热分析　　分析了沥青路面微波再生的换热形式及其热平衡，求解了对流换热系数及辐射换热发射率，建立了加热区域内外的导热微分方程，采用交替方向显(ADE)格式研究了传热模型的数值解法。对导热模型进行了降维处理，根据介质的电磁损耗机理确定了内热源强度，从实验角度求解了电场强度的数值。从理论角度建立了导热边界条件数学模型；并提出利用实验数据反求拟合边界条件。对传热模型利用MATLAB偏微分方程工具箱进行了模拟求解，结果发现加热过程中的热量传递是非线性的，必须准确控制加热时间以保证修补质量，模拟的温度场分布可指导加热器的设计和施工工艺的选择。最后根据能量转化原理对不同加热器辐射下的沥青混合料的吸热状况进行评估。　　 3、微波加热再生能效评价　　根据B样条建模理论建立了加热器再生沥青混合料效果评价模型。采用最小二乘法求解出最佳基函数系数，从而拟合离散温度数据的逼近曲线，实现误差数据的去除与插补。将沥青混合料进行网格划分，分别测量各网格的温度值，将各温度测点的坐标值参数化为标准序列，利用B样条模型及其矩阵表达形式建立了离散温度场的重构模型。对建立的温度场重构模型进行数学分析，获得温度场在加热区域的分布，求解得到不同的温度分布概率，实现了热再生效果的评价，通过计算散乱点与拟合曲面的距离分析了模型的精度；通过对建立的连续型温度分布模型进行均值求解获得不同结构形式的辐射加热器的能量利用情况，从而对加热器的辐射效率进行评价。　　 4、微波加热再生能效控制　　从三个方面研究了材料参数、电磁参数及其它不确定因素对加热的温度分布的影响。考虑材料及电场的物理性质对纵向温度场的影响，将沥青料热再生简化成有内热源的渗透性平板传热问题，解出了纵向温度控制方程并求得了精确的温度解。通过对纵向温度场的计算机模拟分析，发现固流面积比、介电常数对纵向温度的分布影响不大，而介电损耗因子及最大场强值影响着温度的均匀性。考虑不同的加热方式和加热器件对运行过程中温度分布的影响，通过加热实验获得的温度场的比较分析，发现2M210磁控管在改善温度均匀性和节约能源方面均优于2M211、采用间隙为O.5分钟的加热方式可以改善热再生效果。考虑特殊天气情况下传质对加热能效的影响，建立了基于多孔介质理论的传质模型，并对传质速度和能量吸收率进行模拟。　　 5、多源多腔微波加热电磁耦合建模　　建立了多源多腔微波加热电磁耦合模型及耦合方向性分布模型。采用无源二端口网络分析了二元耦合时的电磁互耦阻抗矩阵；利用传输线理论分析了耦合对电磁反射的影响机理及散射参量。将天线的辐射口面分解成若干面元，利用单个天线单元的辐射场的矢量叠加求解耦合后天线的辐射场，分别建立了二元、三元及多元的辐射干扰模型。重点研究了耦合作用对天线辐射方向性的影响，建立了H面和E面方向性系数的耦合模型，通过仿真讨论了耦合后方向性系数和加热器距离及天线结构尺寸的关系，分析研究给阵列式微波加热墙的设计提供了坚实的理论基础。　　 6、微波加热再生养护工程车开发　　确定了养护工程车的总体设计方案及加热系统的关键部件设计方法。着重分析了辐射喇叭天线的设计方法和微波发生器的原理，探讨了基于截止特性和阻抗特性的防微波泄漏的设计原理并设计出一种防泄漏装置。设计出了微波加热系统框图和电路图，开发了多源多腔阵列式喇叭天线辐射墙和控制系统，完成了养护工程车的样车试制。提出了改善温度场均匀性及提高能效是开发养护工程车的关键问题，建立了沥青路面微波养护工程车开发的组织架构。
作者：	孙铜生
专业：	机械电子工程
导师：	史金飞;张志胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文