補氣孔對掃路車吸嘴吸塵性能的影響

覃先云++肖慶麟++伍乾坤++周楓林++徐浩

摘要： 應(yīng)用可實現(xiàn)的kε湍流模型和離散相模型對掃路車吸嘴內(nèi)腔氣固兩相流進行數(shù)值模擬，研究補氣孔對吸嘴吸塵性能的影響.模擬結(jié)果表明：從補氣孔進入高速氣流可以明顯加強吸嘴內(nèi)腔靠近路面處氣流強度和吸管底部上升氣流強度，有利于塵粒揚起和提升并進入吸管.單個塵粒運動軌跡追蹤表明補氣孔產(chǎn)生的氣流能使塵粒在吸嘴內(nèi)的運動更順暢.塵粒軌跡統(tǒng)計結(jié)果表明：補氣孔極大降低塵粒在吸嘴內(nèi)滯留的比例和平均停留時間，顯著提高吸嘴吸拾塵粒能力.

關(guān)鍵詞： 掃路車； 吸嘴； 補氣孔； 吸塵性能； 氣固兩相流； 數(shù)值模擬

中圖分類號： TH412文獻標(biāo)志碼： B

0引言

高速公路及城市硬化路面的迅速增長，需要投入更多的掃路車進行清掃保潔作業(yè).掃路車的氣路系統(tǒng)是決定作業(yè)性能的核心部分，其主要由風(fēng)機、吸塵部分（主要包括吸嘴和吸管）和除塵部分組成.為提高吸塵效率，通常需提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速或選用更大型號風(fēng)機增大風(fēng)量和風(fēng)壓，但同時作業(yè)能耗和噪聲迅速增加.[1]因此，研究吸嘴的關(guān)鍵設(shè)計要素對其吸塵性能的影響特點，用于指導(dǎo)吸嘴改進設(shè)計，在不改變風(fēng)機的前提下提高吸塵效率具有重要意義.

為提高吸嘴吸塵效率，國內(nèi)外很多學(xué)者開展有價值的研究.陳忠基等[1]利用試驗裝置對吸嘴的吸塵能力進行研究，發(fā)現(xiàn)吸嘴空腔結(jié)構(gòu)改變和離地高度變化對其吸塵能力有重要影響.歐陽智江等[2]應(yīng)用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)研究導(dǎo)流式的卷邊結(jié)構(gòu)對吸嘴進入氣流的影響.曾廣銀等[3]和徐云等[4]通過CFD仿真分析對吸塵系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計.朱伏龍等[5]對純吸式掃路車吸嘴進行流場模擬和優(yōu)化.姜兆文等[6]對掃路車不同吸嘴流場進行對比分析.臺冰豐等[7]借助CFD技術(shù)優(yōu)化吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計.上述仿真分析主要側(cè)重于優(yōu)化吸嘴內(nèi)部氣流流場，缺乏研究吸嘴內(nèi)部流場特征與吸拾塵粒性能之間的關(guān)系，具有一定的局限性.WU等[8]對純吸式真空掃路車吸嘴內(nèi)腔進行局部改進，并通過數(shù)值方法研究改進部分對吸嘴內(nèi)部流場和吸塵性能的影響特點.

本文通過實驗首次發(fā)現(xiàn)在吸嘴上設(shè)計合理的補氣孔可以有效提高吸塵效率.采用補氣孔這一新設(shè)計思路提高吸嘴吸塵能力，不同于傳統(tǒng)設(shè)計方法.傳統(tǒng)方法一直認為在吸嘴上開孔會導(dǎo)致其內(nèi)腔負壓降低且分布方式發(fā)生改變，不利于實現(xiàn)真空吸塵.為探究補氣孔對吸嘴吸塵性能的影響機理，利用CFD方法對吸嘴內(nèi)腔氣固兩相流進行數(shù)值模擬分析.采用可實現(xiàn)的kε湍流模型[910]模擬吸嘴內(nèi)腔氣流場，分析從補氣孔進入的氣流對整個內(nèi)腔氣流場的影響.利用離散相模型[1013]對塵粒運動軌跡進行追蹤，通過對比分析有無補氣孔時塵粒的運動特征，研究補氣孔對吸塵性能的影響機理.

1數(shù)學(xué)模型

1.1氣流湍流模型

吸嘴內(nèi)腔連續(xù)流動的氣體可視為定常、恒溫和不可壓縮氣相，采用時均形式的NS方程求解.為較好地反映吸嘴內(nèi)腔強烈旋轉(zhuǎn)式氣流的湍流程度，采用由SHIH等[9]提出的可實現(xiàn)的kε模型計算.在時均應(yīng)變率特別大的情況下，標(biāo)準(zhǔn)kε模型可能導(dǎo)致負的正應(yīng)力.為使流動符合湍流的物理定律，需要對正應(yīng)力進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)約束.為保證這種約束的實現(xiàn)，需使湍流動能黏度計算式中的系數(shù)Cu與應(yīng)變率聯(lián)系起來，不再為常數(shù).可實現(xiàn)的kε模型關(guān)于k和ε的輸送方程[910]如下.

湍流動能k方程

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μtσkkxj+Gk-ρε（1）

湍流動能耗散率ε方程

（ρε）t+（ρεui）xi=xjμ+μtσεεxj+ρC1Eε-ρC2ε2k+vε（2）

式中：ui為平均速度分量；xi為坐標(biāo)變量；ρ為流體密度；v為運動黏度；E為時均應(yīng)變率；σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9；C1=max0.43， η/（η+5）；η=k2EijEij/ε；Eij=12uixj+ujxi；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項，Gk=μtuixj+ujxiuixj（3）式中：μt為湍動黏度，μt=ρCμkε（4）式中：Cμ=1/（A0+ASU*k/ε），其中，A0=4.0，AS=6cos φ，φ=1/3cos 6W，W=EijEjkEkjEijEij12，Eij=12uixj+ujxi；U*=EijEij+Ω～ijΩ～ij，其中，Ω～ij=Ωij-2εijkωk，Ωij=Ω～ij-εijkωk.Ω～ij是從角速度ωk的參考系中得到的時均轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速張量分量，顯然，對于無旋轉(zhuǎn)流場，U*式中的第2項為零，這一項專門用來表示旋轉(zhuǎn)的影響，是本模型區(qū)分于標(biāo)準(zhǔn)kε模型的主要特點之一.

1.2塵粒運動模型

利用基于EulerLagrange方法的離散相模擬塵粒在吸嘴內(nèi)腔氣流中的運動軌跡，分析補氣孔對吸嘴吸拾塵粒過程的影響.單個粒子的運動軌跡可以通過對粒子的受力平衡方程的積分計算得到.考慮氣流對粒子的黏性曳力和提升力以及自身的重力，粒子受力平衡方程 [8， 1013]可表示為mpdupdt=FD+Fg+Fs（5）式中：FD為流體對粒子的黏性曳力；Fg為重力；Fs為流體對粒子的提升力；mp為粒子質(zhì)量；up為粒子速度.

黏性曳力計算公式[12]為FD=18μρpd2p CDRep24mp（u-up）（6）式中：μ為流體黏性；ρp和dp分別為粒子密度和直徑；CD為氣流曳力系數(shù)（具體計算見文獻[13]）；Rep為粒子雷諾數(shù)；u為氣流速度，Rep=|ρ||u-up|dpμ（7）粒子所受重力Fg=mp（1-ρ/ρp）g（9）式中：g為重力加速度.

SAFFMAN等[14]提出流體對粒子的提升力Fs=2Κν1/2ρdijρpdp（dlkdkl）1/4（u-up）（10）式中：K為常數(shù)，取2.594；ν為運動黏度；dij，dlk和dkl為變形張量分量.

2數(shù)值模擬

2.1網(wǎng)格劃分

掃路車吸嘴簡化模型見圖1.補氣孔位于吸嘴頂板前部且與內(nèi)腔連通.吸嘴內(nèi)部流場計算的網(wǎng)格模型見圖2，由GAMBIT前處理軟件劃分為705 324個四面體單元.網(wǎng)格經(jīng)光順等處理，質(zhì)量滿足計算要求.圖中吸嘴外圍延伸部分為附加的空氣域，與大氣連通，氣流從該域的四周和頂部表面進入.

圖 1掃路車吸嘴簡化模型

Fig.1Simplified model of suction mouth of road sweeper

2.2邊界條件

附加空氣域表面設(shè)置為氣相壓力進口邊界，其壓力大小為1個大氣壓，相對壓力取0.與吸嘴內(nèi)腔連通的吸管出口表面設(shè)置為壓力出口邊界，其壓力大小由掃路車作業(yè)時測試得到，取-6 500 Pa.吸嘴內(nèi)腔壁面設(shè)置為運動壁面，以模擬吸嘴向前移動作業(yè)，其運動速度等于作業(yè)車速，本次計算取10 km/h.網(wǎng)格模型底部平面為靜止壁面，表示路面.

圖 2吸嘴網(wǎng)格模型

Fig.2Mesh model of suction mouth

計算所用的塵粒分布數(shù)據(jù)由掃路車試驗用塵粒測試得到，不同粒徑范圍的塵粒所占的質(zhì)量百分比見表1.

表 1計算采用的塵粒直徑和質(zhì)量百分比

Tab.1Dust particle diameter and mass percentage for

computation直徑/mm質(zhì)量百分比/%0～0.20.50.2～0.56.50.5～1.015.01.0～1.530.0直徑/mm質(zhì)量百分比/%1.5～2.035.02.0～2.59.02.5～3.01.03.0～3.51.0

利用RosinRammler方程表達塵粒分布特征為R（d）=exp（-（d/d-）n）（11）式中：d為粒子直徑；d-粒子平均直徑；R（d）為直徑大于d的粒子質(zhì)量比例；n表示分布特征參數(shù).根據(jù)相關(guān)公式可計算出d-為1.686 mm，n為2.82.

在實際路面吸拾塵粒試驗中，觀察到塵粒在距吸嘴前擋板30 mm處開始運動，再進入到吸嘴內(nèi)腔.因此，模擬塵粒分布區(qū)域設(shè)置在距吸嘴前端面30 mm處的塵粒入射平面，見圖2.在入射面上的塵粒的分布密度設(shè)定為250 g/m2，該值與路面中等污染的垃圾量接近.塵粒密度為2 560 kg/m3，形狀參數(shù)φ取0.8.φ的定義為φ=S1S2（12）式中：S1為與不規(guī)則形狀粒子質(zhì)量和密度相等的球體表面積；S2為粒子的實際表面積.塵粒與吸嘴內(nèi)壁設(shè)置為彈性碰撞，壁面法向和切向的動量傳遞因數(shù)分別為0.9和0.8.

2.3求解

應(yīng)用FLUENT 12.0中的有限體積法數(shù)值離散氣流的控制方程，對流項為2階迎風(fēng)差分格式，采用Simplec算法求解.由于塵粒占整個氣流的體積分數(shù)較?。?lt;1%），可作為稀相流處理，求解過程不考慮塵粒與氣流之間的相互作用.利用離散隨機軌道模型模擬氣流湍流脈動對塵粒運動的影響.[8]

利用出口邊界塵粒流量與入射面塵粒流量百分比，作為評估吸嘴吸拾塵粒性能的主要參數(shù)指標(biāo)，則吸拾效率η可表示為η=Q2Q1×100%（13）式中：Q1和Q2分別為入射面塵粒的流量和出口邊界塵粒流量.

當(dāng)塵粒運動到壓力出口邊界時，表示塵粒被吸收；當(dāng)塵粒運動到壓力進口邊界時，表示塵粒逃逸到吸嘴內(nèi)腔外；當(dāng)在指定的時間步長內(nèi)塵粒沒有運動到壓力出口和進口邊界時，表示塵粒殘留在吸嘴內(nèi)腔內(nèi)，沒有被有效吸拾.

3模擬結(jié)果和分析

3.1內(nèi)腔氣流場

為便于分析補氣孔對吸嘴內(nèi)腔流場的影響，取位于補氣孔處距吸嘴中截面45 mm處的截面流場為分析對象.截面氣流流線見圖3.從圖3a看出，外部氣流從補氣孔進入內(nèi)腔后，集中形成一股幾乎垂直于路面方向運動的氣流，沖擊路面后沿水平方向高速運動一段距離，再上升進入吸管.結(jié)合圖3b，對比兩者的流線明顯可以看出，增加補氣孔使沿近路面水平方向的氣流（圖中的A區(qū)）和吸管底部的上升氣流（圖中的B區(qū)）強度均增加.沿近路面的氣流強度增加，有利于將塵粒從路面揚起并向吸管處運動.吸管底部的上升氣流強度增加，有利于將從四周匯聚的塵粒提升進入吸管.另外，從補氣孔進入的氣流直接沖擊路面，有利將位于路面凹陷孔洞內(nèi)的塵粒吹起被后續(xù)吸拾，從而提高實際路面的吸塵效率.截面的靜壓分布云圖見圖4.由此可知：補氣對吸嘴吸附內(nèi)腔的靜壓分布影響較小，但可以改善吸管口處的靜壓分布.有補氣孔時局部低負壓區(qū)明顯減少，見圖4a圓圈標(biāo)記處.利用FLUENT后處理功能得到無補氣孔的吸嘴出口流量和壓力損失分別為4 550 L/h和5 023 Pa，有補氣孔吸嘴的出口流量和壓力損失分別為4 729 L/h和4 890 Pa.增加補氣孔后氣流阻力降低2.7%，出口流量增加3.9%，對吸嘴內(nèi)腔的氣流阻力和流量影響較小.設(shè)計合理過流面積的補氣孔，對吸嘴的阻力特性影響較小，不會造成流量增加過大而改變掃路車整個氣路系統(tǒng)作業(yè)特征，如改變風(fēng)機有效作業(yè)區(qū)間和增加能耗等.a）有補氣孔b）無補氣孔圖 3截面氣流流線

Fig.3Gas flow stream lines on section

a）有補氣孔b）無補氣孔

圖 4截面靜壓云圖

Fig.4Contours of static pressure on section3.2單個塵粒追蹤

追蹤不同直徑的塵粒在有無補氣孔的吸嘴內(nèi)的運動軌跡，比較分析補氣孔對塵粒運動的影響特點.塵粒的直徑分別取0.05，0.20和0.75 mm.不同塵粒的入射位置相同，位于補氣孔位置的下方.塵粒入射初速度取0.不同直徑的塵粒在有補氣孔和無補氣孔吸嘴內(nèi)腔的運動軌跡見圖5和6.對比塵粒軌跡，可以看出相同直徑的塵粒在有補氣孔的吸嘴內(nèi)運動較順暢.當(dāng)直徑為0.05和0.20 mm時，在有補氣孔吸嘴內(nèi)的塵粒從路面向吸管提升位置比無補氣孔的靠前.這主要是由于從補氣孔進入的高速氣流產(chǎn)生的提升力和曳力促進塵粒提升.當(dāng)直徑為0.75 mm時，塵粒在無補氣孔吸嘴內(nèi)運動軌跡比有補氣孔的復(fù)雜得多，反復(fù)與內(nèi)壁發(fā)展碰撞.從補氣孔進入的氣流在吸管處匯聚上升，有利于阻止大直徑塵粒因慣性作用與吸管前部發(fā)生碰撞，并且使塵粒向上提升進入吸管.

a）d=0.05 mmb）d=0.20 mmc）d=0.75 mm圖 5有補氣孔時不同直徑塵粒在吸嘴內(nèi)腔的運動軌跡

Fig.5Trajectories of dust particles with different diameters in suction mouth with gas supplement hole

a）d=0.05 mmb）d=0.20 mmc）d=0.75 mm圖 6無補氣孔時不同直徑塵粒的運動軌跡

Fig.6Trajectories of dust particles with different diameters in suction mouth without gas supplement hole

不同直徑塵粒在吸嘴內(nèi)的停留時間見表2.隨著粒子直徑的增大，停留時間均增加.相同直徑的塵粒在有補氣孔的吸嘴內(nèi)停留時間明顯小于無補氣孔吸嘴的，說明設(shè)計補氣孔后塵粒在吸嘴內(nèi)運動更順暢，可以更快進入吸管被吸收.

表 2不同直徑塵粒在吸嘴內(nèi)的停留時間

Tab.2Residence time of dust particles with

different diameters in suction mouth粒子直徑/mm0.050.200.75有補氣孔停留時間/s0.0210.0380.062無補氣孔停留時間/s0.0280.0760.131

3.3塵粒運動統(tǒng)計分析

本文第2.2節(jié)中描述的入射塵粒在有無補氣孔的吸嘴內(nèi)運動追蹤軌跡見圖7.通過比較發(fā)現(xiàn)，塵粒在兩吸嘴內(nèi)的總體運動形式一致，但塵粒在有補氣孔的吸嘴內(nèi)停留時間更短.塵粒在不同吸嘴內(nèi)運動追蹤結(jié)果的統(tǒng)計值見表3.有補氣孔吸嘴的吸拾塵粒效率為86.24%，比無補氣孔吸嘴的吸拾效率提高12.62%.塵粒在有補氣孔吸嘴的平均停留時間為0.72 s，比無補氣孔的降低0.21 s，說明塵粒在有補氣孔吸嘴內(nèi)運動更順暢.塵粒在無補氣孔吸嘴滯留百分比達25.08%，設(shè)計補氣孔后滯留百分比降低到12.94%.表3中的各項統(tǒng)計值充分表明補氣孔可以顯著提高吸嘴吸塵性能.a）有補氣孔b）無補氣孔

圖 7塵粒在吸嘴內(nèi)的運動軌跡

Fig.7Trajectories of dust particles in suction mouth

表 3改進吸嘴與傳統(tǒng)吸嘴吸塵性能比較

Tab.3Comparison of dust suction performance between improved and traditional suction mouths性能參數(shù)無補氣孔吸嘴有補氣孔吸嘴吸拾效率/%73.6286.24塵粒停留平均時間/s0.930.72塵粒滯留質(zhì)量百分比/%25.0812.94塵粒逃逸質(zhì)量百分比/%1.300.824結(jié)論

應(yīng)用氣固兩相流理論數(shù)值研究補氣孔對掃路車吸嘴吸塵性能的影響及其機理，得到以下主要結(jié)論.

1）從補氣孔進入的高速氣流可以提高近路面氣流和吸管底部上升氣流的強度，有利于提高吸塵能力.

2）單個粒子運動追蹤表明，補氣孔產(chǎn)生的氣流能使塵粒在吸嘴內(nèi)運動更順暢，被吸收的時間更短.

3）塵粒運動統(tǒng)計分析表明，補氣孔可極大降低塵粒在吸嘴內(nèi)滯留比例和平均停留時間，塵粒吸拾效率由73.62%提高為86.24%.

4）本文設(shè)計的補氣孔可使整個吸嘴的氣流阻力降低2.7%，出口流量增加3.9%，對阻力和流量影響較小.因此，設(shè)計合理大小和位置的補氣孔，不會導(dǎo)致流量增加過大而改變掃路車整個氣路系統(tǒng)原有有效工作區(qū)間.參考文獻：

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