基于FLUENT的工程清掃車沉降箱除塵仿真分析

陳 歡

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710300）

0 引言

目前，在路面養(yǎng)護(hù)施工過程中，對于瀝青銑刨路面的清掃主要是通過人工清掃或加裝滾掃的滑移裝載機(jī)來完成的，采用該施工方式無法對瀝青碎料顆粒進(jìn)行收集，并且會產(chǎn)生揚(yáng)塵和污染，影響施工周圍的環(huán)境。因此，需要設(shè)計一款工程清掃車來解決銑刨坑槽內(nèi)對碎料吸拾和除塵的難題，大幅度提高清掃效率并滿足環(huán)境要求[1-2]。

對于工程清掃車而言，沉降箱作為瀝青碎料顆粒物最后的收集裝置，它與吸盤通過管路相連來完成含塵氣流的輸送，同時出口與風(fēng)機(jī)相連保證沉降箱內(nèi)流道的通暢，因此沉降箱對整個清掃作業(yè)效率有著至關(guān)重要的影響，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究與分析。

本文通過建立工程清掃車沉降箱三維結(jié)構(gòu)模型，并對整體模型進(jìn)行簡化分析，運(yùn)用流體仿真對箱體內(nèi)流場進(jìn)行分析，根據(jù)所得結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使沉降箱除塵效果更加顯著。

1 沉降箱模型與參數(shù)

工程清掃車主要是包含主要包括底盤、車架平臺、箱體、動力系統(tǒng)、中置吸盤和前置機(jī)械臂吸嘴。其中箱體主要包含兩個部分，一部分為前置水箱，另一部分為沉降箱。

對于沉降箱而言，應(yīng)該保證兩方面的設(shè)計要求。一方面是對空間結(jié)構(gòu)的要求，應(yīng)在滿足法律法規(guī)的前提下，通過結(jié)構(gòu)尺寸的變化來延長顆粒沉降時的路徑；二是沉降箱內(nèi)的含塵氣流速度應(yīng)在合理范圍范圍內(nèi)，防止氣流過大將塵粒帶出沉降箱外[3-4]。

結(jié)合上述對于沉降箱的要求，利用三維軟件建立箱體的結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。沉降箱主要由四個部分組成，分別是過濾裝置、抽風(fēng)管道、斜置噴管和擋板組成，還包括整體骨架、外形板、內(nèi)襯板等。其中過濾裝置主要是采用磷銅篩網(wǎng)對含塵氣流中的固體顆粒進(jìn)行過濾，抽風(fēng)管道是采用矩形管道使橫截面與風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口截面匹配，盡量減小風(fēng)壓損失，斜置噴管采用斜置65°，可使垃圾在水平面運(yùn)動的距離加長，從而延長垃圾的沉降距離，擋板主要是與含塵氣流發(fā)生碰撞從而改變含塵氣流的運(yùn)動軌跡，使垃圾顆粒物與含塵氣流盡快分離。

圖1 工程吸掃車沉降箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為了使工程清掃車沉降箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及沉降箱內(nèi)除塵裝置的布置達(dá)到最佳的沉降效果，因此需要對沉降箱的尺寸參數(shù)進(jìn)行計算[5]，其簡化結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 沉降箱結(jié)構(gòu)簡圖

（1）沉降箱長度計算

工程清掃車沉降箱寬度應(yīng)小于我國專用公告中關(guān)于汽車寬度的規(guī)定為2.5 m，沉降箱寬度應(yīng)盡可能增大以提高沉降效果，因此可將沉降箱的寬度取為B=2.47 m。

根據(jù)風(fēng)量不變原則，沉降箱的長度：

式中：η——除塵系統(tǒng)的密封效率系數(shù)，η=0.9～0.95，令 η =0.9；

lL——直徑為1 mm的垃圾顆粒恰好能夠沉降時沉降箱的臨界長度，m；

Q——吸送空氣流量，Q=2.69 m3/s；

vs′——直徑為1 mm垃圾顆粒物在沉降箱內(nèi)的沉降速度，m/s。

經(jīng)過計算可得lL=0.17 m，為保證直徑大于1 mm的垃圾顆粒物在沉降箱內(nèi)有效沉降，可以取L=3.656 m，這樣既符合了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)際限定，又滿足了垃圾顆粒物的有效沉降。

（2）沉降箱高度的計算

依據(jù)垃圾顆粒物沉降的臨界公式可以得到：

式中：l——沉降箱箱內(nèi)有效長度，m；

hmin——沉降箱箱內(nèi)最小有效高度，m；

v——沉降箱箱內(nèi)含塵氣流的水平速度，m/s；

vs——垃圾顆粒在沉降箱內(nèi)垂直下的平均降速度，單位 m/s。

上述公式說明，當(dāng)垃圾顆粒物以水平速度運(yùn)動到沉降箱末端的時候，垃圾顆粒物在豎直方向上恰好也運(yùn)動到沉降箱的底部。因此在實(shí)際設(shè)計沉降箱結(jié)構(gòu)時，就是要根據(jù)沉降箱的長度l使其高度H大于或者等于最小的有效高度hmin。

因此沉降箱的尺寸具體為：寬度B=2.47 m，長度L=3.656 m，高度H=1.2 m。

2 沉降箱網(wǎng)格劃分與仿真分析

由于沉降箱焊縫和零部件較多，對氣流有較多的干擾而不利于流場的分析，因此必須先對沉降箱進(jìn)行簡化處理，所得簡化模型如圖3所示。

圖3 沉降箱物理模型簡化

將簡化模型轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入ANSYS中利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有計算精度高和受到結(jié)構(gòu)變化影響小的優(yōu)勢，所以選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分[6]，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 沉降箱網(wǎng)格劃分圖

沉降箱網(wǎng)格劃分完成后，要對劃分的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，并對沉降箱流體的邊界條件進(jìn)行設(shè)定。由于沉降箱進(jìn)風(fēng)口與吸盤的出風(fēng)口相連，當(dāng)選用國內(nèi)某風(fēng)機(jī)9-26系列7.1D型高壓離心風(fēng)機(jī)時，可通過風(fēng)速儀實(shí)驗(yàn)測得吸盤的出風(fēng)口速度為55 m/s，因而可將剛性吸管設(shè)置為進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)口流速為55 m/s，溫度設(shè)置常溫，與風(fēng)機(jī)接觸處的通風(fēng)管道設(shè)置為出風(fēng)口，出口邊界設(shè)置為自由流體邊界，填充材料屬性設(shè)置為空氣air，邊界條件和材料屬性設(shè)置完以后，對仿真對象初始化，然后進(jìn)行仿真處理?？傻镁嚯x中心截面830 mm處的沉降箱氣流流線圖如圖5所示。

圖5 距中心截面830 mm氣流流線圖

從仿真得到的氣流流線圖可知，氣流在從斜置噴管進(jìn)入箱體內(nèi)部的過程中，氣流速度比較高而且損失較小，但當(dāng)氣流經(jīng)過擋板后氣流速度明顯減小，氣流的方向也發(fā)生改變，氣流沿著擋板的邊角較為平滑地向四周擴(kuò)散，有利于垃圾顆粒物和氣流的盡快分離，有利于垃圾顆粒物重力沉降至箱體尾門處進(jìn)行堆積，提高沉降箱的容積利用率。但是，氣流速度在風(fēng)道入口處仍保持在5.9 m/s和7 m/s之間，大于可沉降速度5.5 m/s，不利于沉降且會增加濾網(wǎng)工作除塵的壓力，造成塵粒的過度堆積，影響整體的除塵效果。因此，需要對沉降箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減小風(fēng)道入口處的氣流速度，提高除塵效果。

3 沉降箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

改進(jìn)后的沉降箱結(jié)構(gòu)如圖6所示，可采用在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口增設(shè)圓弧形擋板結(jié)構(gòu)，使原先與擋板發(fā)生碰撞的氣流可沿著弧面末端切線方向流出，從而進(jìn)行重力沉降和堆積。

圖6 增加弧形擋板后的沉降箱三維圖

對改進(jìn)后的沉降箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 沉降箱改進(jìn)后距中心截面830 mm氣流流線圖

從圖7氣流流線圖可以看出，氣流速度較大的區(qū)域主要集中在箱體的后部，氣流經(jīng)過圓弧擋板的平滑引流，可將氣流引導(dǎo)向箱體尾部進(jìn)行沉降，從而使風(fēng)道入口處的氣流速度明顯得到減小，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化對沉降箱除塵效果的提升。

4 結(jié)束語

本文通過對工程清掃車沉降箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定箱體的具體尺寸并選取簡化模型進(jìn)行流場分析，通過對網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定，得出具體的仿真結(jié)果分析，而后通過增設(shè)圓弧形擋板對沉降箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并與原沉降箱仿真結(jié)果進(jìn)行對比，使改進(jìn)后的沉降箱增強(qiáng)了整體的除塵效果。