设计仿真 | Cradle CFD解锁乳化沥青蒸发速率预测，助力绿色公路建设
在“双碳”目标推动下，绿色公路建设已成为我国交通领域的重要发展方向。乳化沥青基材料因其常温施工、低能耗、低碳排放的优势，被广泛应用于路面养护、冷再生混合料等领域。然而，其施工质量与养护效率高度依赖环境因素，尤其是水分蒸发速率。海南大学土木建筑工程学院相关研究基于Cradle CFD仿真软件，针对环境因素对乳化沥青蒸发速率的影响展开深入研究，成功构建高精度预测模型，为绿色公路施工提供了科学指导。
以往研究多通过实验室模拟特定环境条件，但这种方法成本高、周期长，且无法覆盖所有可能的工况。此外，理论计算法依赖大量气象数据，经验公式则受限于地域局限性。如何高效、精准地量化环境因素对蒸发速率的影响，成为行业亟待解决的难题。
海南大学研究团队提出将计算流体动力学（CFD）仿真与基于遗传算法的符号回归方法结合，通过Cradle CFD软件构建仿真模型，突破传统方法的局限，为工程实践提供可靠依据。
研究团队基于菲克扩散定律，建立了乳化沥青水分蒸发的CFD模型。通过Cradle CFD软件，模拟空气-水界面的传质过程，并考虑湍流效应，采用SST k-ω湍流模型优化计算精度。模型中设置了三维和准二维两种网格方案，通过对比发现，准二维模型在保持精度的同时，计算效率提升近百倍（计算时间仅为三维模型的1/100），显著降低了仿真成本。
由于仿真模型的计算效率和精度受网格划分的影响，因此本研究使用了三种网格尺寸来分析三维模型和准二维模型的网格收敛性。在五种不同环境条件下对具有不同网格尺寸的蒸发模型进行瞬态计算，求解器基于Cradle CFD的scFLOW软件，并且具有12个内核和双线程，以前30秒的平均蒸发速率作为蒸发速率的计算结果。不同网格模型的计算蒸发速率以及计算时间如下图所示。网格A和D的计算结果与其他两个密度较大的网格的计算结果相差很大，因此网格A和D的计算精度不理想。与网格C和F相比，网格B和E的相对误差非常小，但计算时间非常长。因此，本研究使用网格B和E进行蒸发模拟。此外，三维模型的网格单元数量远高于准二维模型，因此三维模型的计算时间比准二维模型长得多。
团队利用结构化网格技术对蒸发面附近区域进行局部加密，确保关键区域的模拟精度。通过网格收敛性分析，最终选定最优网格方案，仿真结果与实验数据的最大相对误差小于15%，平均误差低于10%，验证了模型的可靠性。
为覆盖实际工程中复杂多变的环境条件，团队采用拉丁超立方体采样（LHS）生成200组环境样本，涵盖温度（10-50℃）、相对湿度（30%-95%）、风速（0-10 m/s）的广泛范围。通过Cradle CFD进行快速批量仿真，为后续符号回归预测模型训练提供了高质量数据基础。
基于CFD仿真数据，团队构建了基于遗传算法的符号回归（GP-SR）预测模型，输入参数为温度、湿度、风速，输出为蒸发速率。为了开发GP-SR模型，数据库被随机划分为训练集（70%）和测试集（30%）。训练集用于构建模型，测试集用于评估和验证模型的泛化能力。
由GP-SR模型得到的最终方程的统计指标如下：训练集、检验集和总集的R2分别为0.96，总集的MAE、RMSE和MAPE分别为195.17、291.69和22.51%。结果表明，预测方程具有较强的适应度。这一成果表明，工程人员只需输入当地环境参数，即可快速获取高精度蒸发速率预测值，为施工计划制定提供实时支持。
温度对蒸发速率的影响最为显著。研究发现，温度从10℃升至50℃时，蒸发速率最高可提升125倍（无风条件）。因此，低温环境（<10℃）下应避免施工，或通过辅助加热措施缩短养护周期。
湿度高于75%时，蒸发速率急剧下降。尤其在高温高湿地区（如海南），需严格控制施工时段，优先选择湿度较低的季节或时段作业。
风速提升可加速空气对流，但其增效比例随温度升高而降低。例如，10℃时风速从0增至10 m/s，蒸发速率提升20倍；而50℃时仅提升3倍。