鐵路道床吸污車(chē)吸塵機(jī)理分析及吸塵效果數(shù)值模擬

史天亮

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，云南昆明 650215)

鐵路道床吸污車(chē)，主要用于清潔鐵路道床，吸收道床表面施工后的殘留污物、固體顆粒、鋼軌打磨磨屑等污物，避免列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)將污物卷起導(dǎo)致車(chē)輛底盤(pán)及傳感器等部件的損壞，從而保證列車(chē)高速運(yùn)行的安全性。吸污效率的高低是衡量鐵路道床吸污車(chē)整車(chē)性能好壞的關(guān)鍵。吹吸式吸塵裝置作為鐵路道床吸污車(chē)的主要作業(yè)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的合理性及吹吸風(fēng)速度是否匹配是影響鐵路道床吸污車(chē)吸污效率的重要因素。

目前國(guó)內(nèi)公路吸塵車(chē)作業(yè)方式主要有純吸式和吸掃式兩種，吸掃式清掃車(chē)的清掃率高于純吸式清掃車(chē)。法國(guó)SOCOFER公司開(kāi)發(fā)的鐵路除塵車(chē)基本作業(yè)方式為吹吸結(jié)合，其原理為先由中間吹風(fēng)口將污物吹起后再由兩側(cè)吸風(fēng)口將污物吸走。本文討論的昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的鐵路道床吸污車(chē)吹吸式吸塵系統(tǒng)，作業(yè)方式與國(guó)外相同，亦為吹吸結(jié)合，但作業(yè)原理并不相同。

在對(duì)吸塵系統(tǒng)的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多針對(duì)純吸式風(fēng)口進(jìn)行研究［1-4］，對(duì)吹吸式風(fēng)口的研究較少。本文從塵粒起動(dòng)機(jī)理出發(fā)，通過(guò)運(yùn)用CFD商業(yè)軟件Fluent對(duì)影響吸塵效率的不同參數(shù)進(jìn)行仿真分析后，提出一種改進(jìn)型吸塵口，并采用氣固兩相流模型模擬驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

1 吸污車(chē)吸塵機(jī)理及塵粒起動(dòng)機(jī)理

1.1 吸污車(chē)吸塵機(jī)理

鐵路道床吸污車(chē)吸塵系統(tǒng)吸塵機(jī)理如圖1所示。這種吹吸式吸塵裝置的吸塵方式是:通過(guò)吹風(fēng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速吹噴氣流(正風(fēng)壓)分別從兩側(cè)將鐵路道床表面的污物吹起，再由吸風(fēng)風(fēng)機(jī)形成的吸污氣流(負(fù)風(fēng)壓)從中間將污物吸入除塵器內(nèi)，夾雜污物的氣流經(jīng)除塵器過(guò)濾后排放到空氣中，從而達(dá)到清潔鐵路道床的目的。這種吹吸結(jié)合的吸污方式，必須通過(guò)嚴(yán)密的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，理論上應(yīng)使吸氣量等于吹氣量，但由于結(jié)構(gòu)及布置等原因，實(shí)際上應(yīng)使吸氣量大于吹氣量。否則封不住揚(yáng)塵，甚至?xí)斐蓳P(yáng)塵大于吸塵，造成二次污染。

圖1 吸塵機(jī)理

1.2 塵粒起動(dòng)機(jī)理

塵粒起動(dòng)速度是指塵粒開(kāi)始滑動(dòng)、翻滾并即將懸浮的最小風(fēng)速。只有當(dāng)風(fēng)速超過(guò)這一最小風(fēng)速時(shí)，塵粒才有可能發(fā)生移動(dòng)。

對(duì)于直徑為d的球形顆粒。在空氣中的浮重G為

式中:ρk，ρq分別為顆粒、空氣密度，kg/m3。

顆粒受到的流體動(dòng)力F由因次分析法推算為

式中:v為塵粒起動(dòng)臨界速度，m/s;C為阻力系數(shù)，本文取0.44。

因?yàn)轭w粒達(dá)到自由懸浮時(shí)，必須滿(mǎn)足流體動(dòng)力與浮重大小相等、方向相反這樣的力學(xué)平衡，所以

由此可解出

根據(jù)式(4)可得出鐵屑起動(dòng)速度隨粒徑變化曲線(xiàn)，如圖2所示，計(jì)算時(shí)鐵屑密度取7.8 kg/m3。

圖2 鐵屑起動(dòng)速度隨粒徑變化曲線(xiàn)

2 模型的建立

吹吸式吸塵裝置是鐵路道床吸污車(chē)吸塵系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)直接決定了內(nèi)部流場(chǎng)的分布，從而決定吸塵效率。網(wǎng)格模型如圖3所示。在它的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩排吹風(fēng)口，以一定的角度α按同一方向吹出連續(xù)的氣流，形成氣幕空間并將污物吹起。在中間設(shè)有吸風(fēng)口，在吸風(fēng)口氣流產(chǎn)生負(fù)壓的作用下將吹起的污物吸走。污物的清潔是由吹吸氣流共同作用完成的。建立模型時(shí)在與吹風(fēng)口平行的兩側(cè)分別擴(kuò)張了其端面作為補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)口，與吹風(fēng)口垂直兩側(cè)則根據(jù)實(shí)際情況作為壁面。由于吸塵口結(jié)構(gòu)不規(guī)則，利用Gambit劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。流場(chǎng)計(jì)算采用速度入口、壓力入口的邊界條件，吹風(fēng)速度取正值，吸風(fēng)速度取負(fù)值。由于k-ε方程能很好地預(yù)測(cè)氣流速度［5］，所以將其作為湍流計(jì)算模型。

圖3 吹吸式吸塵裝置的網(wǎng)格模型

3 吹吸風(fēng)口數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 參數(shù)影響分析

由塵粒起動(dòng)機(jī)理分析可知:當(dāng)近地面氣流速度大于起動(dòng)速度時(shí)，塵粒才能被順利吹起，吸風(fēng)口入口處真空度越高越有利于將吹起的塵粒吸入。由于吹風(fēng)的存在，塵粒是否會(huì)被吹出吸風(fēng)口造成二次污染是一個(gè)很重要的問(wèn)題，而匹配合理的吹吸風(fēng)速、吹風(fēng)口傾斜角度及吹吸風(fēng)口間的距離既能防止二次污染又能提高吸塵效率［6-7］。為更好地分析氣流運(yùn)動(dòng)，本文截取有代表性的3個(gè)剖面，研究這3個(gè)剖面與地面接觸處在不同參數(shù)下的風(fēng)速大小。三維坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為吸風(fēng)口中點(diǎn)，A面、B面、C面的 x方向坐標(biāo)分別為 0，－0.225，－0.450 m。

由Fluent計(jì)算出來(lái)的速度是用一定數(shù)值范圍的矢量圖表示的，因此分析時(shí)，取值會(huì)存在一定人為誤差，但這對(duì)于把握變化趨勢(shì)仍具有重要指導(dǎo)意義。

3.1.1 不同吹風(fēng)口傾角的仿真分析

吹風(fēng)口的吹風(fēng)傾角是吹吸式吸塵裝置設(shè)計(jì)的主要特性參數(shù)之一，它直接影響到吹風(fēng)效果及顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。

由于吸污車(chē)吸風(fēng)量最大只能達(dá)到70 000 m3/h，考慮到吸風(fēng)效率及吸風(fēng)口面積，取吸風(fēng)口速度為35 m/s，吹風(fēng)口到吸風(fēng)口的距離L0為160 mm，速度取為52 m/s，吹風(fēng)口的吹風(fēng)傾角 α 分別為 5°，8°，10°，12°，15°和20°，對(duì)吹吸式吸塵裝置流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同吹風(fēng)口傾角時(shí)地面處的風(fēng)速

由圖4可以看出:隨著吹風(fēng)角度的增大3個(gè)進(jìn)氣面A，B，C在地面處的風(fēng)速逐漸減小，其各自速度則是A＞B＞C。這是因?yàn)樵诖滴L(fēng)口位置不變的情況下，隨著吹風(fēng)角度的增大，吹風(fēng)氣流越接近地面其離吸風(fēng)氣流也就越近，因此受到吸風(fēng)氣流的影響也就越大。這必將導(dǎo)致吹風(fēng)氣流逐漸偏向吸風(fēng)氣流，其到達(dá)地面的氣流也就隨之變少。同時(shí)距離吹風(fēng)口越遠(yuǎn)其風(fēng)速衰減越快，因此地面速度也就越小。A，B，C三個(gè)平面逐漸偏離中心平面，風(fēng)口逐漸擴(kuò)大，其吸風(fēng)量逐漸減小，因此3個(gè)面在地面處的速度也就逐漸減小。但角度在＜7°時(shí)由于吹風(fēng)速度較大，尚有部分氣流逃逸。這在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中將造成二次污染現(xiàn)象，而且過(guò)小的角度會(huì)造成地面接觸處形成的風(fēng)速帶較窄，這也不利于污物的收集，因此在后面的分析中取吹風(fēng)角度為8°。

3.1.2 不同吹風(fēng)速度的仿真分析

吹風(fēng)速度的大小也是吹吸式吸塵裝置設(shè)計(jì)的主要特性參數(shù)之一，它直接影響到塵粒能否有效吹起。只有將污物吹到距離吸風(fēng)口一定范圍內(nèi)，污物才能被完全吸走，達(dá)到高效除塵的目的。吹風(fēng)傾角為8°，吸風(fēng)口速度為35 m/s，吹風(fēng)口的吹風(fēng)速度分別為0，40，45，50，52，55，58 m/s，其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)吹吸式吸塵裝置流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同吹風(fēng)速度時(shí)地面處的風(fēng)速

由圖5可以看出:當(dāng)吹風(fēng)速度為0時(shí)，地面速度最低，此時(shí)只有吸風(fēng)氣流產(chǎn)生的速度;隨著吹風(fēng)速度的增加地面風(fēng)速也逐漸增大。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)(＜40 m/s)吹風(fēng)氣流由于抗吸風(fēng)氣流的干擾作用較小，吸風(fēng)氣流很容易把吹風(fēng)氣流吸向自己，同時(shí)由于吹風(fēng)氣流距離風(fēng)口越遠(yuǎn)衰減越大，因此吹到地面的速度也就更小，此時(shí)的吹風(fēng)速度尚未達(dá)到鐵屑的起動(dòng)速度，因此將不能將鐵屑有效吹起，也就無(wú)法將其吸走。隨著吹風(fēng)速度的增大，吹風(fēng)氣流有較強(qiáng)的抗吸風(fēng)氣流的干擾能力，同時(shí)其自身較大的吹風(fēng)速度將使其吹到地面的速度越來(lái)越大，但并不是速度越大越好。由于吸風(fēng)量(風(fēng)速)是恒定的，過(guò)大的吹風(fēng)速度將導(dǎo)致部分吹風(fēng)氣流逃逸，從而使被吸污物也被吹出，這在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中將造成二次污染。另外，過(guò)大的吹風(fēng)速度也需要較大的風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也不符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 不同吹吸風(fēng)距離的仿真分析

吹風(fēng)口與吸風(fēng)口之間的距離也是吹吸式吸塵裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，它同樣能影響到吸塵效果。吹風(fēng)傾角為8°，吸風(fēng)口速度為35 m/s，吹風(fēng)口風(fēng)速為52 m/s，吹風(fēng)口與吸風(fēng)口之間的距離分別為80，100，120，140，150，160，180，200 mm，其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)吹吸式吸塵裝置流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同吹吸風(fēng)口間距離時(shí)地面處的風(fēng)速

由圖6可以看出:隨著吹吸風(fēng)口之間距離的增大，3個(gè)面的吹風(fēng)速度也越來(lái)越大，其原因是距離越大吹風(fēng)氣流受吸風(fēng)氣流的干擾越小，但并不是吹吸風(fēng)口間距離越大越好。同前面的分析一樣，較大的吹吸風(fēng)口間距離將導(dǎo)致部分氣流不能完全被吸走，從而造成二次污染，降低吸塵效率。同時(shí)，過(guò)大的吹吸風(fēng)口間距離還會(huì)導(dǎo)致其形成的有效吹風(fēng)帶離吸風(fēng)口中心位置較遠(yuǎn)，這也不利于污物的收集。

3.2 改進(jìn)型吸塵口流場(chǎng)分析

3.2.1 物理模型

根據(jù)上述分析，按照最優(yōu)吹風(fēng)口傾角及吹吸風(fēng)口間的距離設(shè)計(jì)了如圖7所示的改進(jìn)型吹吸風(fēng)口。該吹吸風(fēng)口過(guò)渡面為流線(xiàn)形曲面，使氣流更順暢。為了驗(yàn)證吹吸風(fēng)口優(yōu)化后的吸塵效果，對(duì)其內(nèi)部氣流相進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)固體相的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬。

圖7 改進(jìn)型吸塵口

3.2.2 氣流相分析

圖8為改進(jìn)前后在吹吸風(fēng)口中心A面處的內(nèi)部流線(xiàn)分布。由圖8可以看出改進(jìn)前的吹吸風(fēng)口處存在較大的渦流，這將導(dǎo)致較大的能量損失，同時(shí)也會(huì)影響吸塵效率。改進(jìn)后風(fēng)口流線(xiàn)分布較改進(jìn)前平滑順暢，渦流也較小，且該渦流區(qū)處于吸風(fēng)氣流加速之前，可以起到對(duì)吹風(fēng)氣流的導(dǎo)向作用，使攜塵混合氣流進(jìn)入吸塵口后路徑縮短，因而能量損失也比較小。改進(jìn)后的吸塵口不存在吹風(fēng)氣流逃逸及造成二次污染現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提高吸塵效率。

圖8 改進(jìn)前后吹吸風(fēng)口中心A面處的流線(xiàn)分布對(duì)比

3.2.3 顆粒相分析

由于研究中要考慮到顆粒的碰撞和跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，本文采用歐拉—拉格朗日分散相(DPM)模型對(duì)改進(jìn)前后直徑為3 mm的鐵屑在吹吸式吸塵裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯龈倪M(jìn)前顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡較為混亂，存在較多的相互碰撞現(xiàn)象，還有部分顆粒吸起后又落下，仿佛無(wú)法被有效吸走。這是由于在吹吸風(fēng)口之間存在較大的渦流。改進(jìn)后的顆粒運(yùn)動(dòng)則較為規(guī)則，顆?；究梢员挥行У匚?。

圖9 粒徑3 mm的鐵屑運(yùn)動(dòng)軌跡(單位:m/s)

4 結(jié)論

本文利用 Fluent軟件對(duì)鐵路道床吸污車(chē)吹吸式吸塵裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同參數(shù)對(duì)吸塵效率的影響進(jìn)行仿真分析后，提出了新的改進(jìn)方案，并得出以下結(jié)論:

1)在離地面距離較大(＞250 mm)的情況下，吹吸結(jié)合的作業(yè)方式較純吸式有較高的吸塵效率、較低的功率消耗，適合鐵路道床吸污車(chē)這一特殊的鐵路道床養(yǎng)護(hù)設(shè)備。

2)原有吹吸式吸塵裝置結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上存在一定不足，不能較好地發(fā)揮除塵效率，且會(huì)產(chǎn)生二次污染。

3)優(yōu)化改進(jìn)的吹吸式吸塵裝置整體性能優(yōu)于原有設(shè)計(jì)。其不僅提高了靠近地面的氣流速度，改進(jìn)了流場(chǎng)分布，提高了吸塵效率，而且不會(huì)出現(xiàn)氣流外泄，造成二次污染，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)鐵路道床吸污車(chē)的優(yōu)化改進(jìn)提供了重要參考。

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