引言沥青路面经过长期使用会出现裂缝、凹槽、形变等现象，影响车辆的正常行驶。加热再生是常规的路面修复手段[1]，国内外学者在该领域开展了大量基础研究，内容包括沥青路面的介质导热机理、温度分布规律、外部环境影响因素等[2-8]。在路面加热设备方面，德国维特根公司开发了移动式加热车，我国山东路桥集团等单位也开发了类似产品如“多功能加热车GS1000”，该产品具备加热、铣刨、补热、复拌等功能。加热车的原理是热气流通过小孔形成高速射流，对路面进行冲击对流换热，同时伴随辐射换热，从而实现对路面的加热。目前，大部分路面加热设备利用均匀密布的孔板产生热射流。但是孔板的小孔数量较多，不同小孔产生的射流之间相互干扰，在局部弱化了换热能力。国内外也有学者进行过相关研究，但是相关研究较少[8]。文中利用计算流体动力学(CFD)方法分析某路面加热车的对流换热特性，并对射流孔板的设计进行改进，为类似工程中射流孔板的设计提供参考依据。1计算模型和工况参数1.1加热车计算模型沿车辆行进方向，加热段长度约4 m，行进速度约0.04~0.05 m/s。沥青路面热风循环加热车内部结构如图1所示。上方为热空气的加热装置和扩散段；下方为作业段，内部有密布小孔的射流板；底部两侧各有10个筒体结构，筒体下方也布置了密布射流孔，用于扩大横向加热面积。循环加热系统主要由循环风机、燃烧室、扩散段、作业段（含射流孔板）和新风风机等装置组成。空气被通入燃烧室，与柴油混合加热至约500 ℃，经过扩散段后进入作业段；作业段内布置布满小孔的射流孔板，热空气通过射流孔板后形成高速气流，与路面进行冲击射流换热；作业段内，部分热空气会泄漏至大气环境中。为了确保质量守恒，利用新风风机从大气中补入新风，与剩余的热空气混合，进入燃烧室被再热至500 ℃左右，从而完成循环过程。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F001图1沥青路面热风循环加热车内部结构数值计算过程中，首先对整个传热过程涉及的所有物体进行几何建模，理论上几何模型应包括循环风机、燃烧室、扩散段、作业段、路基和新风风机涉及的所有流体域和固体域。考虑文中主要优化路面加热过程，且燃烧室和新风系统的循环再加热主要用于提供热空气，因此无须对燃烧室和新风系统进行建模，只需要对影响路面加热过程的扩散段和作业段进行建模。加热车计算用几何模型如图2所示。几何模型包括筒体（不含燃烧室）、扩散段、射流孔板、侧方筒体、回风口和路基。图2加热车几何模型和原始设计的射流孔板10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F2a1（a）加热车几何模型10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F2a2（b）原始设计的射流孔板1.2工况参数路基为沥青路面，是包含重油和大理石的混合物。沥青路面的热物性参数根据文献[9]确定，如表1所示。根据传热学的基本理论，地表热扰动向地下传播过程为半无限大物体导热问题[10]，理论上地面厚度应设置为无穷大。但是沥青的热扩散能力很弱，因此几何模型中设置沥青路面厚度为20 cm，可以覆盖车辆行进过程中热扰动的厚度。相对于加热车，沥青路面设置为匀速运动，速度根据车辆的运行速度设定，为0.04 m/s。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.T001表1沥青路面的热物性参数项目数值导热系数/[W/(m∙K)]2密度/(kg/m3)2 000比热/[J/(kg∙K)]900加热路面的热空气是柴油和空气混合燃烧后的气体，含有氮气、二氧化碳、水蒸气和少量氧气。由于燃油和空气的混合比例不确定，难以直接确定各个组分的百分比。根据理想空气和标准烟气的热物性参数[10]对比可知，空气和烟气的密度、定压比热和动力黏度较为接近，最大误差不超过7%。因此热空气的热物性参数取理想空气的热物性参数。烟气温度最高可达500 ℃，根据玻尔兹曼定律，辐射力为热力学温度的四次方[10]，因此需考虑辐射换热。由于车体内部空间有限，热空气对辐射的吸收总体较少，因此在计算中主要考虑固体之间的辐射，采用S2S热辐射模型。2加热车的基本流动传热特性对原始设计的加热车（含有密布圆孔）进行数值计算，原始设计的路面温度、热流密度和垂直剖面速度分布如图3~图5所示。车辆前部温度较低，后部温度较高，但最高温度仅100 ℃左右。车辆前部的热风射流冲击地面后转为水平流动，阻碍了车辆中部和后部的射流与地面进行冲击射流换热，弱化了冲击换热能力；同时，较多的射流倾向于流到车辆后部，减少了车辆前部的射流。根据热流密度和温差可以计算原始设计的路面平均传热系数，为18.0 W/(m2∙K)，远低于冲击射流传热系数的理论值[10]。因此，密布射流孔的设计不利于地面均匀加热，且加热能力较低，需要进行改进。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F003图3原始设计的路面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F004图4原始设计的路面热流密度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F005图5原始设计路面垂直剖面速度分布3加热车射流设计的改进3.1改进方案1考虑密布射流孔在冷却能力分布上的“前弱后强”式缺陷，改进方案应设法强化车辆前部的冷却能力。通过反复试验提出改进方案1，将圆形孔改为长条孔，增大车辆前部射流孔的密度并大幅度减小车辆中后部射流孔的密度，从而使更多的热空气从车辆前部以冲击的形式与地面进行换热，尽可能强化传热。改进方案1的加热车射流孔结构如图6所示。改进方案1的路面温度和热流密度分布如图7和图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F006图6改进方案1的加热车射流孔结构10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F007图7改进方案1的路面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F008图8改进方案1的路面热流密度分布车辆前部射流孔面积大，使得热空气主要通过前部射流孔流出，与地面形成较强的冲击换热。经计算，路面平均传热系数为20.8 W/(m2∙K)，较原始设计值提升15.4%。同时，路面温度分布较为平均，并未出现局部温度过高的现象。但是改进方案1有待进一步改进，主要因为热空气与路面冲击换热结束后转为水平流动。根据传热学的基本理论，单纯的水平流动换热能力不强，可通过增加扰动的方式提升换热能力。3.2改进方案2在改进方案1的基础上，改进方案2在射流孔板下方增加若干与水平流动方向垂直的挡板，挡板下缘距离地面约5 cm。当水平流动热空气流经挡板时，由于挡板与地面高度较小，可以减小通流面积，提升局部流速并形成扰动，从而提升换热能力。改进方案2的加热车剖面结构如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F009图9改进方案2的加热车剖面结构改进方案2的路面温度和热流密度分布如图10和图11所示。与改进方案1的结果相比，改进方案2强化了车辆中后部的传热。经计算，改进方案2的路面平均传热系数为25.0 W/(m2∙K)，较原始设计提升28%，较改进方案1有了进一步提升。考虑实际路面坑洼等因素，挡板可设计为上端铰链固定的形式，当下端碰到路面障碍物时具有一定的自由度，避免挡板受损。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F010图10改进方案2的路面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.007.F011图11改进方案2的路面热流密度分布4结语密布式圆孔射流孔板的总体换热能力较弱。车辆前部射流与地面冲击换热后转为水平流动，阻碍了中部和后部的冲击射流与地面的换热，弱化了热空气与地面的换热。将圆孔改为长条孔，在提升车辆前部射流孔密度的同时减少了车辆中后部的射流孔密度，能够强化车辆前部的冲击换热能力，避免车辆中后部水平流动对冲击流动的干扰，有效提升了热流密度和路面温度。射流与地面冲击换热后转为水平流动，可在车辆底部安装若干挡板，用于提升局部的水平流速，同时对水平流动施加扰动，可以进一步提升路面温度，综合传热能力提升约30%。