【博士】瀝青路面微波加熱再生建模技術(shù)研究【2009】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：機(jī)械電子工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　瀝青路面因具有行車(chē)舒適、維護(hù)方便等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路及橋梁建設(shè)，由于受到行車(chē)荷載和自然環(huán)境等因素的影響，在投入使甩后常常會(huì)出現(xiàn)各種病害，如裂縫、坑槽、麻面、車(chē)轍和波浪等，如何對(duì)瀝青路面進(jìn)行高質(zhì)量維修是迫切需要解決的問(wèn)題。目前公路養(yǎng)護(hù)廣泛采用的現(xiàn)場(chǎng)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^(guò)程中，在高頻交變電磁場(chǎng)的作用下，分子劇烈運(yùn)動(dòng)并摩擦碰撞，產(chǎn)生大量的熱量，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)?！　”疚囊匝兄苹谖⒉訜岬臑r青路面養(yǎng)護(hù)車(chē)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(shí)，對(duì)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(chǎng)耦合模型和能效評(píng)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(chē)的開(kāi)發(fā)提供了雄厚的理論基礎(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：　　l微波加熱再生電磁建?！　?yīng)用麥克斯韋方程研究了輻射加熱器內(nèi)電場(chǎng)，根據(jù)惠更斯原理建立了微波加熱裝置的輻射電場(chǎng)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(zhǎng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定了喇叭長(zhǎng)度與其口面長(zhǎng)度的幾何設(shè)計(jì)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)出了口面溫度場(chǎng)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(duì)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)的正確性。利用Ansoft HFSS對(duì)喇叭天線進(jìn)行了建模并輸入求解條件，獲得了短長(zhǎng)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)?！　?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(duì)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(duì)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，從實(shí)驗(yàn)角度求解了電場(chǎng)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(duì)不同加熱器輻射下的瀝青混合料的吸熱狀況進(jìn)行評(píng)估。　　3微波加熱再生能效評(píng)價(jià)　　根據(jù)B樣條建模理論建立了加熱器再生瀝青混合料效果評(píng)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(cè)量各網(wǎng)格的溫度值，將各溫度測(cè)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(chǎng)的重構(gòu)模型。對(duì)建立的溫度場(chǎng)重構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，獲得溫度場(chǎng)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(píng)價(jià)，通過(guò)計(jì)算散亂點(diǎn)與擬合曲面的距離分析了模型的精度；通過(guò)對(duì)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(duì)加熱器的輻射效率進(jìn)行評(píng)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(duì)加熱的溫度分布的影響?？紤]材料及電場(chǎng)的物理性質(zhì)對(duì)縱向溫度場(chǎng)的影響，將瀝青料熱再生簡(jiǎn)化成有內(nèi)熱源的滲透性平板傳熱問(wèn)題，解出了縱向溫度控制方程并求得了精確的溫度解。通過(guò)對(duì)縱向溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬分析，發(fā)現(xiàn)圃流面積比、介電常數(shù)對(duì)縱向溫度的分布影響不大，而介電損耗因子及最大場(chǎng)強(qiáng)值影響著溫度的均勻性。　　

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