龍卷風(fēng)在掃路車上的應(yīng)用研究

林春瑋 許順林

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 福建省龍巖市 364028

1 引言

掃路車的吸嘴是整部車工作效率高低的關(guān)鍵部分，其更加快速、高效的抽吸作業(yè)將會(huì)給產(chǎn)品帶來更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值。掃路車作為路面垃圾清掃的專用車輛，我國(guó)掃路車行業(yè)歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，但相比國(guó)外的水平，還存在一定的差距。而龍卷風(fēng)一向是災(zāi)難的代名詞，破壞力之大令人望而生畏，具有持續(xù)時(shí)間短、風(fēng)力大、破壞力強(qiáng)和難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，目前對(duì)于龍卷風(fēng)的形成機(jī)理尚沒有統(tǒng)一的定論。但是，研究人員在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了龍卷風(fēng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并且制作了一系列的龍卷風(fēng)發(fā)生裝置，成功制造出了人造龍卷風(fēng)。本文將基于以上掃路車現(xiàn)狀和龍卷風(fēng)可制造性的事實(shí)，將龍卷風(fēng)（環(huán)形氣流）生成裝置嵌入到吸嘴的某個(gè)關(guān)鍵位置，力求起到事半功倍的效果。

2 國(guó)內(nèi)掃路車氣力輸送系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

掃路車氣力輸送系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、吸嘴、風(fēng)道、垃圾箱、過濾裝置等組成，其工作原理為，依靠風(fēng)機(jī)強(qiáng)大的抽吸風(fēng)力將密閉的垃圾箱抽成負(fù)壓，再通過負(fù)壓在吸嘴處產(chǎn)生的高速氣流將垃圾吸入垃圾箱體內(nèi)，在這里，吸嘴起到了關(guān)鍵性的作用。

倪奕金[1]對(duì)目前主流的掃路車氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)地論述，并根據(jù)氣固兩相流理論和物體的懸浮理論，提出了整套的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法。其中，對(duì)抽吸所需氣流速度一欄中，根據(jù)諾謨圖和相關(guān)文獻(xiàn)給出了系統(tǒng)所需的氣流速度和懸浮速度。

姜兆文[2]對(duì)掃路車的氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究計(jì)算和軟件仿真分析，確定了循環(huán)反吹風(fēng)吸嘴結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值。循環(huán)反吹風(fēng)吸嘴的原理即加大吸嘴內(nèi)部的氣體流速，杜絕抽吸死角，反映了吸嘴中的氣流速度在整個(gè)氣力輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵性作用。

3 龍卷風(fēng)生成裝置的制作可行性

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行分析研究。湯卓[3]發(fā)展了考慮氣壓降的三維龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型，提出了封閉結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)荷載的計(jì)算方法，并給出了三維模型模擬產(chǎn)生的F1～F3級(jí)龍卷風(fēng)的特征參數(shù)值。以F2級(jí)龍卷風(fēng)為例，其最大切向風(fēng)速Vmax已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于12級(jí)臺(tái)風(fēng)的33m/s，并且其在中心處產(chǎn)生的負(fù)壓可將周圍的物體不斷聚集到風(fēng)場(chǎng)中心。張冀喆[4]使用數(shù)值模擬方法對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行研究，其制作的龍卷風(fēng)生成裝置成功生成了龍卷風(fēng)，該裝置可通過改變底部氣流的方向，來得到不同渦流比的龍卷風(fēng)形態(tài)。

國(guó)外學(xué)者對(duì)龍卷風(fēng)進(jìn)行了大量研究。Rotunno[5]指出了數(shù)值模擬是現(xiàn)在獲取龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的一個(gè)有效方法。而Robert[6]指出了龍卷風(fēng)形成過程。在實(shí)驗(yàn)研究方面，研究者制作了各種實(shí)驗(yàn)室人造龍卷風(fēng)生成裝置，驗(yàn)證了人造龍卷風(fēng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已基本接近數(shù)值模擬數(shù)據(jù)[7-9]。

4 運(yùn)用龍卷風(fēng)原理的吸嘴方案研究

通過以上事實(shí)可知，目前國(guó)內(nèi)掃路車的氣力輸送系統(tǒng)，只能通過提升風(fēng)機(jī)功率來提升氣流速度，但此方法往往受到動(dòng)力和空間的限制。與此同時(shí)，部分掃路車運(yùn)用了反吹機(jī)構(gòu)，但并未涉及使用環(huán)形氣流來提升氣流速度。而在龍卷風(fēng)的研究方面，已經(jīng)能夠借助計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算，并且能夠制造出龍卷風(fēng)生成裝置，為龍卷風(fēng)在掃路車上的運(yùn)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.1 確定龍卷風(fēng)生成裝置在吸嘴中的位置

姜兆文在《吸掃式掃路車總體設(shè)計(jì)及氣力輸送系統(tǒng)研究》中[10]，詳細(xì)地描述了塵粒的啟動(dòng)過程?？梢悦鞔_的是，吸嘴內(nèi)塵粒的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過三個(gè)階段：首先是在啟動(dòng)速度的作用下不斷聚集到吸嘴吸筒的底部；然后在吸筒底部互相碰撞繼而飛起，得以暫時(shí)懸浮在空中；最后再依靠吸筒內(nèi)的氣流將塵粒通過吸筒送入垃圾箱體內(nèi)。事實(shí)上，大部分塵粒在碰撞后并不是直接向上運(yùn)動(dòng)，而是要依靠氣流的作用力在克服自身重力后加速上升，也就是說，如果該區(qū)域內(nèi)的氣流速度不夠，塵粒將跌落在地上并失去向上的直接推力，由此可見，下圖1中的塵粒碰撞加速區(qū)是抽吸的關(guān)鍵位置，最合適布置龍卷風(fēng)生成裝置。

圖1 傳統(tǒng)吸嘴結(jié)構(gòu)及抽吸簡(jiǎn)圖

圖2 環(huán)形氣流吸嘴結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 環(huán)形氣流吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)外學(xué)者Robert指出，龍卷風(fēng)是上升的氣流先在上空形成氣旋，再延伸至地面形成龍卷風(fēng)，因此我們只要在傳統(tǒng)V型吸嘴的吸筒底部增設(shè)一個(gè)環(huán)形氣流生成室即可，如下圖2所示。該生成室下半部分呈圓筒狀，上半部分呈圓錐狀，起到氣流導(dǎo)向作用，在氣流生成室下半部分的圓筒周圍設(shè)置有六個(gè)反吹氣口，沿著圓筒周圍均勻分布，通過調(diào)整吹氣口的角度便可形成不同形態(tài)的龍卷風(fēng)。同時(shí)，在吸嘴的前方左右對(duì)稱分別設(shè)置一個(gè)反吹氣口，作用是將左右側(cè)的垃圾推至吸筒下方。對(duì)于該裝置在吸嘴中起到的作用，以下從3個(gè)方面進(jìn)行解析：

（A）環(huán)形氣流（龍卷風(fēng)）的壓降作用。湯卓在《龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型及風(fēng)荷載研究》中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了龍卷風(fēng)內(nèi)部的氣壓降在其巨大破壞力中所起的關(guān)鍵性作用[7]，事實(shí)上，當(dāng)氣流角度α調(diào)整到一定值時(shí)，實(shí)際氣流的徑向流速V2會(huì)大于切向流速V1，此時(shí)塵粒便不再往外甩出，而是相反地，運(yùn)動(dòng)半徑會(huì)不斷變小，同時(shí)隨上升的氣流向上運(yùn)動(dòng)，此外，還會(huì)在氣流的中心處形成一個(gè)氣壓降，而該氣壓降對(duì)貼附在地面處的塵粒具有真空抽吸的作用，這種效果是圍繞在塵粒周圍的氣流所無法達(dá)到的。與此同時(shí)，塵粒聚集在吸筒中心處，亦可避免塵粒與吸筒臂之間的直接碰撞和摩擦，減小上升阻力，如上圖2俯視圖所示。

（B）環(huán)形氣流對(duì)塵粒的加速作用。如上圖2主視圖所示，假設(shè)塵粒沒有受到環(huán)形氣流的作用，那么它會(huì)受到一個(gè)單純向上的氣流作用力F1，而當(dāng)同時(shí)受到環(huán)形氣流作用力F2時(shí)，實(shí)際受到的作用力為二者的合力F，根據(jù)勾股定理，這個(gè)合力要永遠(yuǎn)大于兩個(gè)分力，因此相比于只有力F1的作用，在合力作用下，塵?？梢栽傧嗤瑫r(shí)間內(nèi)獲得更大的速度。

（C）可在局部形成高速環(huán)形氣流，使貼附在地面處的塵粒得到加速，繼而相互碰撞飛起懸浮在空中，有利于后續(xù)的垂直抽吸。同時(shí)，利用風(fēng)機(jī)所排氣體進(jìn)行反吹的方式，使得氣體在一個(gè)密閉的空間內(nèi)得到循環(huán)利用，有效減少對(duì)周圍的大氣粉塵污染，并同時(shí)免去了體積龐大且難以維護(hù)清洗的空氣過濾裝置，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。

5 結(jié)語

本文分別從掃路車的氣力輸送系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和龍卷風(fēng)的制作可行性入手，根據(jù)吸嘴的實(shí)際應(yīng)用需要，將龍卷風(fēng)原理融入到了吸嘴當(dāng)中。該方案中的吸嘴創(chuàng)造性地利用風(fēng)機(jī)尾氣在吸嘴吸筒底部制造了環(huán)形氣流（龍卷風(fēng)），此處的環(huán)形氣流在吸嘴的作業(yè)中起到了壓降抽吸、塵粒加速和氣體循環(huán)利用的作用，有效提高掃路車的抽吸效率并減少對(duì)周圍氣體的二次污染。