在“雙碳”目標推動下，綠色公路建設已成為我國交通領域的重要發展方向。乳化瀝青基材料因其常溫施工、低能耗、低碳排放的優勢，被廣泛應用于路面養護、冷再生混合料等領域。然而，其施工質量與養護效率高度依賴環境因素，尤其是水分蒸發速率。海南大學土木建筑工程學院聯合海克斯康，依托海克斯康先進的Cradle CFD仿真軟件，針對環境因素對乳化瀝青蒸發速率的影響展開深入研究，成功構建高精度預測模型，為綠色公路施工提供了科學指導。

PART-01

項目背景

乳化瀝青基材料在施工后需經歷水分蒸發過程，才能形成足夠的強度。蒸發速率直接影響材料的可施工時間與養護周期。然而，環境因素（溫度、濕度、風速）復雜多變，傳統經驗模型難以精準預測蒸發速率，導致實際工程中常出現養護時間不足或材料性能不達標等問題。

以往研究多通過實驗室模擬特定環境條件，但這種方法成本高、周期長，且無法覆蓋所有可能的工況。此外，理論計算法依賴大量氣象數據，經驗公式則受限于地域局限性。如何高效、精準地量化環境因素對蒸發速率的影響，成為行業亟待解決的難題。

海南大學研究團隊提出將計算流體動力學（CFD）仿真與基于遺傳算法的符號回歸方法結合，通過海克斯康Cradle CFD軟件構建仿真模型，突破傳統方法的局限，為工程實踐提供可靠依據。

PART-02

Cradle CFD仿真：精準建模與高效驗證

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模型構建：從理論到仿真

研究團隊基于菲克擴散定律，建立了乳化瀝青水分蒸發的CFD模型。通過Cradle CFD軟件，模擬空氣-水界面的傳質過程，并考慮湍流效應，采用SST k-ω湍流模型優化計算精度。模型中設置了三維和準二維兩種網格方案，通過對比發現，準二維模型在保持精度的同時，計算效率提升近百倍（計算時間僅為三維模型的1/100），顯著降低了仿真成本。

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網格劃分與驗證：科學與嚴謹

由于仿真模型的計算效率和精度受網格劃分的影響，因此本研究使用了三種網格尺寸來分析三維模型和準二維模型的網格收斂性。在五種不同環境條件下對具有不同網格尺寸的蒸發模型進行瞬態計算，求解器基于Cradle CFD的scFLOW軟件，并且具有12個內核和雙線程，以前30秒的平均蒸發速率作為蒸發速率的計算結果。不同網格模型的計算蒸發速率以及計算時間如下圖所示。網格A和D的計算結果與其他兩個密度較大的網格的計算結果相差很大，因此網格A和D的計算精度不理想。與網格C和F相比，網格B和E的相對誤差非常小，但計算時間非常長。因此，本研究使用網格B和E進行蒸發模擬。此外，三維模型的網格單元數量遠高于準二維模型，因此三維模型的計算時間比準二維模型長得多。

團隊利用結構化網格技術對蒸發面附近區域進行局部加密，確保關鍵區域的模擬精度。通過網格收斂性分析，最終選定最優網格方案，仿真結果與實驗數據的最大相對誤差小于15%，平均誤差低于10%，驗證了模型的可靠性。

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環境因素全覆蓋：拉丁超立方體采樣

為覆蓋實際工程中復雜多變的環境條件，團隊采用拉丁超立方體采樣（LHS）生成200組環境樣本，涵蓋溫度（10-50℃）、相對濕度（30%-95%）、風速（0-10 m/s）的廣泛范圍。通過Cradle CFD進行快速批量仿真，為后續符號回歸預測模型訓練提供了高質量數據基礎。

PART-03

符號回歸預測：從數據到智能決策

基于CFD仿真數據，團隊構建了基于遺傳算法的符號回歸（GP-SR）預測模型，輸入參數為溫度、濕度、風速，輸出為蒸發速率。為了開發GP-SR模型，數據庫被隨機劃分為訓練集（70%）和測試集（30%）。訓練集用于構建模型，測試集用于評估和驗證模型的泛化能力。

由GP-SR模型得到的最終方程的統計指標如下：訓練集、檢驗集和總集的R²分別為0.96，總集的MAE、RMSE和MAPE分別為195.17、291.69和22.51%。結果表明，預測方程具有較強的適應度。這一成果表明，工程人員只需輸入當地環境參數，即可快速獲取高精度蒸發速率預測值，為施工計劃制定提供實時支持。

PART-04

環境因素影響解析：科學指導工程實踐

溫度對蒸發速率的影響最為顯著。研究發現，溫度從10℃升至50℃時，蒸發速率最高可提升125倍（無風條件）。因此，低溫環境（<10℃）下應避免施工，或通過輔助加熱措施縮短養護周期。

濕度高于75%時，蒸發速率急劇下降。尤其在高溫高濕地區（如海南），需嚴格控制施工時段，優先選擇濕度較低的季節或時段作業。

風速提升可加速空氣對流，但其增效比例隨溫度升高而降低。例如，10℃時風速從0增至10 m/s，蒸發速率提升20倍；而50℃時僅提升3倍。

技術創新打造綠色未來

海南大學與海克斯康的此次合作，不僅驗證了Cradle CFD軟件在復雜傳質問題中的卓越性能，更開創了CFD與人工智能融合的新范式。研究成果已直接應用于多個公路建設項目，幫助施工單位優化養護方案，提升工程效率。未來，雙方將繼續深化合作，推動仿真技術在交通、材料等領域的應用，為我國“雙碳”目標與智慧交通建設注入強勁動力。

關于海南大學土木建筑工程學院

海南大學土木建筑工程學院始建于1985年，其前身為原海南大學理工學院土木工程系。學院現有土木工程系、建筑學系；實驗教學中心；2個院士工作站，2個院士團隊創新中心，熱帶海洋資源開發關鍵技術與裝備研究中心，海南省熱帶海島裝配式建筑工程研究中心，建筑工程質量檢測中心和海南海大工程設計研究院有限公司。擁有巖土、工程材料、力學、建筑物理、建筑技術、結構工程、虛擬仿真、CAD、BIM等實驗室，面積8959平方米。

參考文獻

Ouyang, J. , Jiang, Z. , Yang, H. , Li, J. , & Cao, P. . (2024). Prediction model of asphalt emulsion evaporation rate based on cfd simulation and genetic programming-based symbolic regression. Construction and Building Materials, 416(000), 13.