白云龍

BAI Yun-long

吸塵車CFD仿真分析

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福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 福建龍巖 364028

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)吸塵車吸塵系統(tǒng)進(jìn)行了流場(chǎng)分析，選砂石作為主要塵粒樣本進(jìn)行分析，將吸塵車改進(jìn)前后的各性能進(jìn)行了對(duì)比，并指出吸塵車未來的優(yōu)化方向。

吸塵車 流場(chǎng)分析 CFD仿真

1 前言

目前國(guó)內(nèi)掃路車主要有以下幾種：純掃式掃路車、吸掃結(jié)合式掃路車及純吸式真空吸塵車[1]?，F(xiàn)階段吸掃結(jié)合式掃路車占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額，但是吸塵車正以其特有的低揚(yáng)塵、節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)份額逐漸增加，在一些干燥缺水地區(qū)，以及霧霾嚴(yán)重的地區(qū)表現(xiàn)出了更好的適應(yīng)性和優(yōu)越性。因此，相比傳統(tǒng)的掃路車，吸塵車將有更好的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景，針對(duì)吸塵車吸塵系統(tǒng)的研究和探索既具有重要的科研價(jià)值，又具有一定的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 塵粒運(yùn)動(dòng)與氣流速度的關(guān)系

氣流速度較小時(shí)，塵粒只在原地震動(dòng)或擺動(dòng)，當(dāng)氣流速度逐漸增大達(dá)到某一臨界值時(shí)，部分塵?？朔Σ亮Φ淖饔茫_始脫離原地并在地面上滾動(dòng)或滑移。塵粒在滾動(dòng)過程中與地面凸起或其他塵粒等發(fā)生撞擊，獲得了很大的沖量，該沖量使塵粒的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生改變，從沿地面滾動(dòng)變?yōu)楸谎杆購(gòu)椛渲量罩小m粒被彈射至空中后會(huì)在起升力和迎風(fēng)阻力的作用下繼續(xù)向前向上跳起，進(jìn)入氣流開始運(yùn)動(dòng)。塵粒在氣流作用下，由靜止?fàn)顟B(tài)到起跳的過程如圖1所示。

圖1 塵粒由靜止?fàn)顟B(tài)到起跳的過程示意圖

2.1 塵粒的起動(dòng)速度

塵粒的起動(dòng)速度是指能使塵粒開始產(chǎn)生滾動(dòng)或滑動(dòng)的最小氣流速度，只有氣流速度超過塵粒的起動(dòng)速度，塵粒才能開始運(yùn)動(dòng)[2,3,4]。 Iversen,J.D..、Kawamura R..通過研究[5,6,7]，得到了清掃對(duì)象起動(dòng)的最小風(fēng)速公式。

單個(gè)塵粒起動(dòng)速度為：

式中，U為單個(gè)塵粒的起動(dòng)速度，m/s；μ為塵粒與管道的摩擦系數(shù)；CD為總阻力系數(shù)；CL為升力系數(shù)；ρc為塵粒真密度，kg/m3；ρ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；V為塵粒體積，m3；A為塵粒迎面面積，m2。

塵粒的起動(dòng)速度是吸嘴設(shè)計(jì)時(shí)重要的速度指標(biāo)，垃圾顆粒能否順利起動(dòng)將直接影響掃路車的吸塵效果。由公式(1)計(jì)算可得，密度為2 650 kg/m3，直徑為φ30的石子，其起動(dòng)速度為28.35 m/s。

2.2 塵粒的懸浮速度

塵粒在垂直管路中，受到向上流動(dòng)的氣流作用保持在一定的高度不動(dòng)，或在一定的高度位置上成擺動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)的氣流速度即為塵粒的懸浮速度。塵粒的懸浮速度是設(shè)計(jì)掃路車吸塵系統(tǒng)的一個(gè)重要依據(jù)。當(dāng)塵粒被吸嘴吸入后，進(jìn)入吸嘴與垃圾箱之間的垂直管路內(nèi)，該段管路內(nèi)的氣體流速必須大于塵粒的懸浮速度才能保證塵粒能夠被吸進(jìn)垃圾箱。文獻(xiàn)[8]研究了懸浮速度公式。

單個(gè)塵粒的懸浮速度為:

式中，V0為單個(gè)塵粒的懸浮速度，m/s；d為塵粒直徑，m。

計(jì)算可得，密度為2 650 kg/m3，直徑為φ30的石子，其懸浮速度為44 m/s。

3 流場(chǎng)仿真分析

由于原吸塵車吸塵系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)出口容易造成地面揚(yáng)塵，箱體壓力損失較大，吸塵能力還不夠理想，因此，針對(duì)上述問題，筆者對(duì)吸塵車吸塵系統(tǒng)作出如下改進(jìn)。

a. 風(fēng)機(jī)出風(fēng)口由底部出風(fēng)改為頂部出風(fēng)；

b. 箱體處濾筒由左右分列，改為前置；

c. 吸嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)連續(xù)性方程有：

式中，ρ為流體密度；V為速度矢量。根據(jù)動(dòng)量守恒有：

式中，t為時(shí)間；p'為校正壓力；μeff為有效粘性系數(shù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程有：

式中，k為湍流動(dòng)能；ε為損耗率；μ為層流的粘度系數(shù)；μT為湍流的粘度系數(shù)；p為靜壓力；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；C1、C2為常數(shù)。

3.2 模型概況

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 700 r/min，如圖2所示沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

圖2 吸塵車模型圖

劃分網(wǎng)格如表1所示，定義邊界條件。以四面體網(wǎng)格為主，共有107萬網(wǎng)格單元，數(shù)量較大。

表1 網(wǎng)格劃分

3.3 定解條件設(shè)置

如圖3，選用基于壓力基的穩(wěn)態(tài)求解器，考慮重力加速度，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)模型選用MRF模型，如圖4所示，設(shè)置轉(zhuǎn)速為2 700 r/min。

濾筒采用多孔介質(zhì)模型，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，設(shè)置合適的殘差，其余默認(rèn)設(shè)置。

圖4 風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)MRF模型

3.4 運(yùn)算及后處理

開始迭代求解，殘差下降得很快，并且很快就穩(wěn)定了，說明前面的前處理和設(shè)置比較合理，運(yùn)算殘差如圖5所示。

3.4.1 吸塵車改進(jìn)前后對(duì)比

3.4.1.1 風(fēng)機(jī)性能

如圖6所示，風(fēng)機(jī)改進(jìn)前全壓差約為8 850 Pa，流量約為12 910 m3/h；改進(jìn)后全壓差約為9 089 Pa，流量約為14 516.5 m3/h。

改進(jìn)前葉輪扭矩為244.7 Nm，改進(jìn)后葉輪扭矩為261 Nm，如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)改進(jìn)前后葉輪扭矩對(duì)比

改進(jìn)前軸功率約為69.2 kW，風(fēng)機(jī)效率約45.9%；改進(jìn)后軸功率約為73.8 kW，風(fēng)機(jī)效率約為49.7%。兩種風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)大致相同，效率都很低，如圖8所示，都是在風(fēng)機(jī)葉輪末梢有較大規(guī)模的低速漩渦，能量損失較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率低下。

圖8 改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)流速對(duì)比

3.4.1.2 箱體壓降

從風(fēng)機(jī)入口到吸筒處壓降，改進(jìn)前約為2 555 Pa（其中濾筒壓降約625 Pa），約占風(fēng)機(jī)入口31%；改進(jìn)后約為1 649 Pa（其中濾筒壓降約為424 Pa），約占風(fēng)機(jī)入口19.3%，如圖9所示。改進(jìn)后箱體壓降減少。

圖9 改進(jìn)前后從風(fēng)機(jī)入口到吸筒處壓降對(duì)比

如圖10，從湍流強(qiáng)度超過500的區(qū)域可以看出，改進(jìn)前大湍流區(qū)較多，并且最大湍流值也更大。

圖10 改進(jìn)前后湍流強(qiáng)度對(duì)比

3.4.1.3 吸嘴分析

如圖11，改進(jìn)前主吸筒平均流速約為59.72 m/s，邊吸筒平均流速約為57.81 m/s；改進(jìn)后主吸筒平均流速約為68.51 m/s，邊吸筒平均流速約為58.26 m/s。改進(jìn)前后平均流速均大于密度為2 650 kg/m3，直徑為φ30的砂石所需懸浮速度44 m/s。

圖11 改進(jìn)前后吸筒平均流速對(duì)比

如圖12，主吸流速大于28.5 m/s（大于密度2 650 kg/m，直徑φ30的砂石所需起動(dòng)速度28.35 m/s）的氣流分布。

3

圖12 改進(jìn)前后主吸流速大于28.5 m/s的氣流分布

邊吸流速大于28.5 m/s的氣流分布如圖13所示。

由上面幾組對(duì)比圖可以看出，改進(jìn)后吸嘴流速分布更均勻，尤其邊吸流速大于28.5 m/s的氣流，底部和吸筒能夠很好地銜接。另外邊吸前后氣流匯集后形成的渦流，揚(yáng)起的氣流正好在吸筒下方，可以順利進(jìn)入吸筒，有利于揚(yáng)塵后被吸收；雖然改進(jìn)前邊吸流速大于28.5 m/s的氣流分布也很廣，但氣流較混亂。兩種車型主吸底部氣流大于28.5 m/s的都較少，改進(jìn)后會(huì)好些，因?yàn)橹魑烨鍜吒采w面較大，整體空腔較大，氣流進(jìn)入主吸嘴后流速下降較多。

圖13 改進(jìn)前后邊吸流速大于28.5 m/s的氣流分布

3.4.1.4 DPM顆粒模擬

模擬密度為2 650 kg/m3，直徑分別為φ10、φ20、φ30的砂石進(jìn)入吸嘴的情況如圖14所示。砂石均以0.1 kg/s的質(zhì)量流量，從吸嘴前部進(jìn)入吸嘴，捕捉進(jìn)入吸嘴的顆粒數(shù)量作為入口數(shù)，再捕捉進(jìn)入垃圾箱的顆粒數(shù)量作為出口數(shù)，出口數(shù)與入口數(shù)之比，作為顆粒吸收率參考。改進(jìn)前后顆粒模擬數(shù)據(jù)如表2、3所示。

圖14 DPM顆粒模擬顆粒軌跡

從DPM顆粒模擬結(jié)果看，改進(jìn)后吸塵車的吸凈率明顯優(yōu)于改進(jìn)前吸塵車，總體吸凈率高約69%。

表2 改進(jìn)前顆粒模擬

表3 改進(jìn)后顆粒模擬

4 結(jié)語

通過吸塵車改進(jìn)前后CFD仿真分析對(duì)比可知，改進(jìn)后吸塵車在風(fēng)機(jī)軸功率僅比改進(jìn)前高約6.65%的情況下，吸凈率高出約69%，并且箱體壓降率更少，吸嘴氣流分布更合理。所以改進(jìn)后吸塵車吸塵系統(tǒng)性能優(yōu)于改進(jìn)前，但是風(fēng)機(jī)效率、吸嘴氣流分布等還有改進(jìn)的空間。

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Simulation Analysis of Vacuum Sweeper by CFD

In this paper, the flow field analysis is carried out by the computational fluid dynamics software Fluent. The gravel is analyzed as the main dust particles, and the vacuum sweeper before and after improvement were compared, and points out the optimization direction of next step.

vacuum sweeper; flow analysis; CFD simulation

U469.6+91.02

：A

：1004-0226(2017)04-0082-05

白云龍，男，1982年生，工程師，主要從事車輛節(jié)能減排及智能控制方面的研究。

2017-02-17