[发明专利]一种沥青混合料中流体流动阻力的计算方法

摘要

一种沥青混合料中流体流动阻力的计算方法，本发明属于沥青混合料物理性能的测试领域，它要解决现有流动阻力计算模型中均包含经验系数，沥青混合料中流体流动阻力计算的准确性较低的问题。牛顿流体Ergun型方程如下：通过粘性项对水力梯度的影响，计算得到A₀＝72·τ²·M²，通过惯性项对水力梯度的影响，计算得到B₀＝0.75·[(1‑λ²)²+0.5(1‑λ²)]·τ³·M。本发明从粘性项和惯性项两个方面构建新的流动阻力预测模型，并明确粘性项系数A₀和惯性项系数B₀的物理意义，从而准确计算流体在不同流速下的流动阻力。

主权项

1.一种沥青混合料中流体流动阻力的计算方法，其特征在于该计算方法按以下步骤实现：一、牛顿流体Ergun型方程如下：式中：为流体通过多孔介质的水力梯度，指沿渗透途径水头损失与渗透途径长度的比值；△p为流体通过多孔介质的压力差；L为通道的长度；ε为多孔介质的空隙率；μ为流体的动力粘度；d_p为颗粒直径；u为流体流速；ρ为流体密度，A₀为粘性项系数；B₀为惯性项系数；二、粘性项对水力梯度的影响通过引入迂曲度反映流体在介质通道中的横向流动，流体在毛细管中流动的体积流量为：式中：R为毛细管半径；L_t为弯曲毛细管流道的实际长度；△P₁为粘性项对应的压力差；迂曲度的计算公式如下：τ＝L_t/L                             (3)式中：L_t为弯曲毛细管流道的实际长度；L为通道两端的直线距离；对于单孔通道，流体在单孔通道中的平均速度为：引入平均水力半径：R_h＝εd_p/(6(1‑ε)+4(d_p/D))                   (5)式中D为通道宽度，采用工业CT获取不同层位空隙面积S，在此基础上，通过等效面积法公式(6)计算得到空隙通道平均直径，即为通道宽度D：式中，n为空隙数量；颗粒直径d_p采用如下公式计算：d_p＝x₁·d_p1+x₂·d_p2+…+x_n·d_pn                  (7)式中，d_pn为第n个筛网直径，x_n为第n个筛网上对应的分计筛余百分率；由于边壁效应对水力梯度的影响，引入边壁效应修正系数M：M＝(1+2d_p/(3D(1‑ε)))                     (8)由R＝2R_h，把公式(3)、(5)、(6)、(7)和(8)带入公式(4)中，得到：依据修正的Forchheimer速度关系式：v＝uτ/ε                            (10)将公式(10)带入公式(9)得低流速时考虑边壁效应的流体粘性项形成水力梯度方程：三、惯性项对水力梯度的影响采用堆积单元体积的算法，分别得到颗粒间距δ和喉部等效直径d_o,CCP：然后分别定义水力直径d_h和孔喉比λ：d_h＝4R_h＝2εd_p/(3(1‑ε)·M)                (14)λ＝d_o,CCP/d_h                        (15)突扩管段和突缩管段的压头损失分别如公式(16)和(17)所示，突扩管段的压头损失：h_fe＝(1‑λ²)²·v²/(2g)                   (16)突缩管段的压头损失：h_fc＝0.5(1‑λ²)·v²/(2g)                  (17)因此，流动惯性项形成的总压头损失为：h_z＝h_fe+h_fc＝((1‑λ²)²+0.5(1‑λ²))·v²/(2g)       (18)结合水力半径，考虑边壁效应的影响，流体惯性项在孔喉管段上形成的水力梯度为：其中△P₂为惯性项对应的压力差；四、由公式(11)和公式(19)得到流体的流动阻力计算方程为：分别得到粘性项系数A₀和惯性项系数B₀的表达式如下：A₀＝72·τ²·M²                        (21)B₀＝0.75·[(1‑λ²)²+0.5(1‑λ²)]·τ³·M     (22)将粘性项系数A₀和惯性项系数B₀代入牛顿流体Ergun型方程(1)中，从而完成沥青混合料中流体流动阻力的计算。