龍卷風原理的吸塵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及流場仿真分析

劉曉靜, 章易程, 劉 凡, 吳強運, 張鳴鳳, 郭員暢

(1.中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 長沙 410075； 2.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院, 廣州 511434)

目前，吸塵裝置主要有純吸式、純掃式和吸掃結(jié)合式3種，其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對于提升垃圾清掃效率具有重要意義[1]，為此學(xué)者們研究了吸塵裝置的擴展域參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對清掃效果的影響規(guī)律. 文獻[1]首次提出吸嘴擴展域?qū)Ψ抡娣治龃嬖诘挠绊?，并指出擴展域參數(shù)對仿真的影響存在一個閾值，當參數(shù)超過閾值時，其影響可以忽略不計；文獻[1-2]通過流場仿真研究還指出：吸嘴擴展域有無轉(zhuǎn)角對計算精度影響并不大. 上述研究對流場仿真中擴展域的參數(shù)設(shè)計有重要指導(dǎo)意義. 對于傳統(tǒng)吸塵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究則多是針對其吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，如文獻[3-5]分析了吸塵裝置吸嘴的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵效果的影響. 文獻[6]除分析吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還以吸嘴吸塵部分的局部壓力損失最小為目標，對吸嘴相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計. 雖然上述對吸塵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)以及擴展域的研究對提高吸塵效果具有重要指導(dǎo)意義，但仍難以滿足道路的高效清掃需求.

而自然界中龍卷風的破壞力驚人，龍卷風內(nèi)部的空氣稀薄，壓力極低，這使得龍卷風具有強大的卷吸能力[7]，因此研究者們對龍卷風作了很多研究. 現(xiàn)階段，關(guān)于龍卷風的研究主要是針對龍卷風本身的機理與龍卷風發(fā)生裝置的設(shè)計，文獻[7]在人造龍卷風形成機理的研究中提出生成龍卷風的兩個必要條件：有誘導(dǎo)旋流和在流場中能形成一個稱為漩渦生成區(qū)的流動區(qū)域，文獻[7]還指出龍卷風的生成與射抽流量比有關(guān). 文獻[8]通過數(shù)值模擬的方法研究了龍卷風的速度分布，分析了各種因素對龍卷風風場造成的影響，并在ward型龍卷風發(fā)生裝置[9]的基礎(chǔ)上設(shè)計制造了能成功產(chǎn)生龍卷風的發(fā)生裝置. 文獻[10]則針對龍卷風發(fā)生裝置進行風場模擬,獲得了風場的切向速度和徑向速度，并將仿真的結(jié)果與實際速度值對比，驗證了仿真的可行性.

由于龍卷風較強的卷吸能力，本文嘗試將龍卷風原理應(yīng)用于清掃中，探索性研究如何利用龍卷風的卷吸能力進行垃圾清掃，基于龍卷風卷吸原理設(shè)計了一個有別于現(xiàn)階段吸塵裝置的新型機械吸塵裝置. 本文研究目標是一種基于龍卷風卷吸原理的新型吸塵裝置，因此無法直接采用上述研究結(jié)論. 本文首先基于龍卷風原理建立機器吸塵裝置的模型，然后利用近地面平均風速、壓差、與吸嘴進風口平均壓強為清掃效果評價指標，采用流場仿真方法，針對該新型吸塵裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，以達到提高裝置的清掃效率和增強裝置的清掃效果的目的，在此基礎(chǔ)上，對該新型裝置流場的擴展域的形狀及其參數(shù)閾值的規(guī)律進行研究，試圖為該流場的擴展域的選定提供依據(jù).

1 幾何模型

1.1 基本原理與結(jié)構(gòu)介紹

圖1為基于龍卷風發(fā)生原理的吸塵裝置的三維圖. 本吸塵裝置包括：1個環(huán)流通道I，8個導(dǎo)流孔II，1個總進氣管道III，1個吸嘴IV和1個排塵口V. 總進氣管道吹入空氣，空氣經(jīng)過導(dǎo)流孔形成具有切向速度的氣流，圓筒上方的負壓使得這些具有切向速度的氣流聚束起來并形成龍卷風. 參考城市道路清掃車吸塵系統(tǒng)[11]的尺寸，一般的城市道路清掃吸塵系統(tǒng)中的吸嘴工作寬度通常在250 ～620 mm之間，本裝置尺寸如圖2所示.

I—環(huán)流通道；II—導(dǎo)流孔；III—總進氣管道；IV—吸嘴；V—排塵口

圖1 基于龍卷風發(fā)生原理的吸塵裝置

Fig.1 The dust collector based on the tornado generation principle

(a)主視圖 (b)俯視圖

Fig.2 Dimensions of the dust collector based on the tornado generation principle (mm)

1.2 流場計算區(qū)域

根據(jù)基于龍卷風發(fā)生原理的吸塵裝置的物理模型，建立流體計算域，如圖3所示. 本裝置的計算域共分為7個部分，其中1、2、3、4、5、6分別為排塵口計算域、環(huán)流通道計算域、導(dǎo)流孔計算域、吸嘴計算域、總進氣管道計算域、地面計算域；7為擴展域.

抽取裝置內(nèi)部的流場得到流場計算域中的1、2、3、4、5部分. 考慮到本裝置上部出口連接排塵管道，所以增加了流場計算域的第1部分作為排塵口計算域使得出口處的氣流得到充分的發(fā)展，達到了更貼近實際情況和提高計算精度的目的. 流場計算域的第6部分為吸嘴進風口和地面之間的流場計算域，直接與擴展域連通. 流場計算域的第7部分為流場計算域擴展域部分，是由吸嘴進風口與地面之間的區(qū)域以及吸嘴進風口以上的一部分區(qū)域組成的，由于龍卷風是旋轉(zhuǎn)渦流，因此這部分設(shè)計成圓柱形.

1.3 擴展域及結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖2(b)與圖4所示，θ為導(dǎo)流孔傾斜角度，D1為吸嘴以及排塵口管道直徑，D2為擴展域直徑，H1為擴展域高度，H2為近地面計算域高度，H3為排塵口高度.

(a)流場計算域正三軸測圖 (b)流場計算域仰視圖

1—排塵口計算域；2—環(huán)流通道計算域；3—導(dǎo)流孔計算域；4—吸嘴計算域；5—總進氣管道計算域；6—近地面計算域；7—擴展域

圖3 流場計算域

Fig.3 Computational domain of the flow field

圖4 裝置參數(shù)

由于吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于吸塵裝置具有重要影響，參考一般道路清掃車吸嘴的寬度，本裝置的D1的初始取值為500 mm. 考慮到實際流場范圍比吸嘴的直徑大，且高度超過吸嘴距地面的高度，所以H1的初始值不妨取200 mm. 擴展域直徑D2應(yīng)盡可能大，其初始值不妨取6 000 mm，這樣才能保證流場的充分發(fā)展；排塵口計算域1的直徑是由吸嘴直徑?jīng)Q定的，而其高度H3足夠高才能不影響仿真結(jié)果的準確性，在此不妨取其初始值為1 800 mm；本吸塵裝置的卷吸效應(yīng)主要來源于導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔的傾斜角度θ可能極大地影響吸塵裝置內(nèi)的風場結(jié)構(gòu)，由于θ受本裝置設(shè)計的導(dǎo)流孔直徑與數(shù)量的影響，其變化為-45°～45°，不妨其初始值取為45°；近地面計算域高度H2主要是由清掃對象的尺寸大小決定的，一般為10～20 mm[12]，在此不妨取其初始值為20 mm；擴展域的高度和直徑、排塵口的高度及近地面高度均對仿真結(jié)果有很大影響，隨著這些參數(shù)的變化，近地面風速、壓強和圓筒進風口的壓強也發(fā)生著變化. 因此，選用6個幾何變量對基于龍卷風卷吸原理的吸塵裝置進行流場仿真研究，計算時選其中1個參數(shù)作為變量，分別研究其余參數(shù)的變化對流場仿真結(jié)果精度的影響規(guī)律. 根據(jù)圖2的裝置尺寸，各參數(shù)初始值分別為H3=1 800 mm、H2=20 mm、θ=45°、D2=200 mm、H1=6 000 mm、D1=500 mm.

渦流比是表征裝置產(chǎn)生的類龍卷風結(jié)構(gòu)特征的一個無量綱量[13]，渦流比S定義為

(1)

式中：Vτ為切向速度；Vr為徑向速度；R0為圓筒的半徑，當D1=500 mm時，R0=250 mm；H0為氣體環(huán)流通道的高度，如圖2(a)所示，H0=200 mm.

在本裝置中，可影響到渦流比的參數(shù)為導(dǎo)流孔傾斜角度、導(dǎo)流孔數(shù)量、進氣速度與D1/H0，由于影響因素較多，因此在本文后續(xù)研究中，對導(dǎo)流孔數(shù)量、進氣速度與D1/H0進行固定，即只研究導(dǎo)流孔傾斜角度改變時的渦流比. 仿真研究的具體參數(shù)組合方案見表1.

2 仿真理論基礎(chǔ)

2.1 流場方程

仿真模擬中，在計算誤差允許的范圍內(nèi)對模型進行必要的簡化并給出以下基本假定：1)假定空氣為不可壓縮流體；2)假定空氣為粘性牛頓流體，即空氣的動力粘度恒定，不隨速度梯度的變化而變化；3)計算中不考慮空氣重力影響. 流場遵循以下動力學(xué)方程.

1)連續(xù)性方程：

(2)

式中：ρ為流體密度，v為流體速度，t為時間.

2)動量方程：

(3)

式中：p′=p+(2μ/3-ξ)v；μe=μ+μT,μT=ρCμk2/ε；根據(jù)文獻[14]，Cμ=0.09.

3)RNGk-ε方程[14]. 由于該吸塵裝置內(nèi)部流場雷諾數(shù)Re=9×105～2.57×106，該流場屬于湍流，且流場有旋轉(zhuǎn)及旋流流動的情況，文獻[15-16]在對龍卷風進行數(shù)值模擬時使用RNGk-ε模型，其計算結(jié)果精準可靠，所以本文計算模型采用RNGk-ε方程：

(4)

(5)

2.2 網(wǎng)格劃分

由于本文的清掃裝置內(nèi)流場比較復(fù)雜，所以，所有的研究組別均采用 ANSYS MESH 16.0進行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分. 為準確捕捉吸塵裝置內(nèi)流場與渦結(jié)構(gòu)的細微變化，對裝置內(nèi)導(dǎo)流孔區(qū)域等處的網(wǎng)格進行加密處理，另外，為了充分解決壁面附近的氣流，捕捉氣流的分離位置，運用Inflation膨脹層劃分邊界層網(wǎng)格. 控制邊界層第1層網(wǎng)格高度在5×10-4m左右，同時保證各參數(shù)組合下裝置壁面的y+值均在30～150之間.

為了確保本文采用的網(wǎng)格尺度達到數(shù)值仿真的要求，即繼續(xù)加密網(wǎng)格不會對流場結(jié)果造成較大的影響，對采用初始參數(shù)值的幾何模型進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，分別采用0.12、0.08、0.04 m的粗、中、細3套網(wǎng)格尺度劃分網(wǎng)格，對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量為352 059、702 622、1 606 387. 圖5是根據(jù)圖2中的結(jié)構(gòu)尺寸和擴展域幾何變量的初始值繪制的幾何模型采用中等網(wǎng)格尺度劃分的網(wǎng)格模型. 圖6為不同網(wǎng)格對吸塵裝置軸線上的速度仿真結(jié)果的影響曲線，由圖6可知，粗網(wǎng)格與細網(wǎng)格的速度仿真值之間差別較大，而中等網(wǎng)格與細網(wǎng)格的速度仿真值之間差別較小. 考慮計算精度與計算資源，因此本文采用中等網(wǎng)格尺度進行網(wǎng)格劃分.

圖5 基于龍卷風發(fā)生原理的初始吸塵裝置網(wǎng)格模型

Fig.5 Grid model of the dust collector based on the tornado generation principle using initial values

圖6 不同網(wǎng)格尺度對吸塵裝置軸線上速度的影響曲線

Fig.6 Effect curve of different grid scales on the velocity along the axis of the dust collector

表2給出了不同研究參數(shù)時的幾何模型采用中等網(wǎng)格尺度劃分網(wǎng)格得到的網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格質(zhì)量指標值，由表2可知，網(wǎng)格的單元最大扭曲度均小于0.9，平均扭曲度均小于0.26，最大縱橫比均未大于40，平均縱橫比均小于3，平均正交程度質(zhì)量均在0.85左右，其網(wǎng)格質(zhì)量均符合本文仿真要求[17].

表2 不同研究變量下的網(wǎng)格數(shù)與網(wǎng)格質(zhì)量范圍

2.3 邊界條件設(shè)置

由于總進風口吹入的空氣經(jīng)過環(huán)流通道和導(dǎo)流孔會有沿程損失和局部損失，所以為了使氣流具有足夠的切向速度，總進風口吹入的空氣需要足夠的風速. 排塵口的負壓也要足夠大才能使得產(chǎn)生的具有切向速度的氣流聚束起來形成龍卷風并且向上方運動. 1)總進風口定義為速度入口，風速為60 m/s；2)排塵口出口處定義為壓力出口，相對壓力值為-3 000 Pa；3)與大氣連通的擴展域表面為壓力入口，取標準大氣壓值；4)地面及模型的內(nèi)部邊界均定義為壁面；5)模型內(nèi)部空氣流動的地方定義為流體.

2.4 算法選擇

流場計算選擇Fluent軟件壓力基求解器完成，三維定常計算，迭代步數(shù)設(shè)為10 000步，求解器的收斂精度設(shè)為1.0×10-6，各項計算量不斷進行迭代，直至殘差均低于收斂精度時停止計算. 選用RNGk-ε湍流模型和增強壁面函數(shù)，計算方法采用壓力-速度耦合SIMPLE算法. 壓力插值選擇Standard格式，動量方程、湍動能和湍流耗散率的離散方式均采用二階迎風離散格式，保證計算精度.

3 計算結(jié)果分析

3.1 評價指標

塵粒啟動理論[18]指出：當近地面氣流平均速度大于塵粒啟動速度時，塵粒才能被順利吸起，吸嘴進風口處的負壓大有利于塵粒吸入吸嘴中. 并且隨著擴展域越來越接近真實的流場情況，近地面風速以及吸嘴進風口處的負壓都應(yīng)該趨向于一個穩(wěn)定的值. 所以，本文借助吸嘴覆蓋區(qū)域的近地面氣流的平均速度和吸嘴進風口平均壓強來判斷擴展域參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響. 由于龍卷風其內(nèi)外有較大的氣壓差，所以具有極強的抽吸能力以及破壞力[19]. 本文采用圓筒中心區(qū)和壁面區(qū)的壓差作為評價形成的龍卷風的好壞的指標，判別形成的龍卷風的強度. 綜上所述，本文選擇近地面平均風速、壓差和吸嘴進風口平均壓強作為對擴展域與結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的評價指標.

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響

3.2.1 排塵口高度的分析

圖7是根據(jù)仿真結(jié)果得到的排塵口高度H3對近地面平均風速及入口平均壓強的影響曲線. 由圖7可以看出，隨著排塵口高度H3的逐漸增加，近地面平均風速先增后減，入口平均壓強出現(xiàn)波動，在H3/D1增加到1.6時，此時的近地面平均風速和入口平均壓強達到一個相對穩(wěn)定的值，即再增加排塵口高度對人造龍卷風的生成以及清掃效果的評估幾乎沒有影響.

圖7 排塵口高度的影響曲線

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當排塵口高度H3的值太小時裝置產(chǎn)生的龍卷風的上部得不到充分的發(fā)展，所以隨著H3的值的增加，龍卷風在上部的發(fā)展狀況也在不斷改變，這就造成了近地面平均風速和入口平均壓強隨著H3的值改變而改變，當H3/D1達到1.6時，此時的排塵口高度已經(jīng)滿足了龍卷風的上部的完全發(fā)展，所以再增大H3的值時，對本裝置產(chǎn)生的龍卷風幾乎沒有影響了，此時近地面平均風速和入口平均壓強均達到了一個相對穩(wěn)定的值.

3.2.2 近地面計算域高度的分析

由于近地面計算域高度H2決定著擴展域的高度H1，所以在研究擴展域的高度之前先對近地面計算域的高度H2進行研究. 圖8是根據(jù)仿真結(jié)果得到的排塵口無量綱高度H3/D1=1.6時近地面計算域在不同高度H2下的圓筒區(qū)內(nèi)部的軸向壓力分布云圖.圖9為近地面計算域高度變化對渦核中心位置的影響曲線，其中L/D1為渦核中心與圓筒區(qū)中心的無量綱距離. 由圖8、9可以看出，隨著近地面計算域高度H2的逐漸增加，本裝置形成的渦的渦核逐漸靠近吸嘴的中心并且變成規(guī)則的圓形，當H2/D1=0.2時，渦核處于吸嘴的中心，當近地面計算域高度H2繼續(xù)增大時渦核偏離進風口的中心且變得不規(guī)則.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當近地面計算域高度H2的值很小時，吸嘴內(nèi)的氣流與大氣連通度太低，對龍卷風的生成造成了阻礙，所以生成的龍卷風的渦核不規(guī)則且偏離吸嘴的中心. 當H2/D1=0.2時，此時的吸嘴內(nèi)部的氣流和大氣的連通度剛好，有利于龍卷風的生成，所以此時的龍卷風從云圖上可以看出其渦核是規(guī)則的圓形且位置在吸嘴的中心. 當H2/D1>0.2時，由于吸嘴距地面太高，所以受大氣的影響很大，此時大氣中的氣流流動對吸嘴內(nèi)的龍卷風的形成造成了干擾，生成的龍卷風的渦核逐漸變得不規(guī)則且遠離了吸嘴的中心.

圖8 近地面計算域高度不同時圓筒內(nèi)部壓力分布云圖

圖10是根據(jù)仿真結(jié)果得到的近地面計算域高度H2對吸嘴內(nèi)壓差及近地面平均風速的影響曲線. 從圖10可以看出，當H2/D1<0.2時，吸嘴內(nèi)的壓差值及近地面平均風速逐漸增大；當H2/D1=0.2時，吸嘴內(nèi)壓差值及近地面平均風速值出現(xiàn)了閾值，此時在吸嘴內(nèi)生成的龍卷風的強度大且穩(wěn)定性好；當H2/D1>0.2時，吸嘴內(nèi)的壓差值及近地面平均風速逐漸減小.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：壓差可以直觀反映龍卷風的強弱和穩(wěn)定性，當本裝置生成的龍卷風強且穩(wěn)定時其中心處和外圍的壓差就會相對較大，同時具有更強的卷吸能力，所以當H2/D1<0.2時其壓差和近地面平均風速隨著H2的增加而增大；當H2/D1=0.2時其壓差和近地面平均風速達到閾值且值最大，因為此時裝置產(chǎn)生的龍卷風最穩(wěn)定且強度最大；當H2/D1>0.2時，裝置產(chǎn)生的龍卷風強度漸漸減小，所以壓差值和近地面平均風速也逐漸減小.

圖9 近地面計算域高度對渦核中心位置的影響曲線

Fig.9 Effect curve of the height of the near-ground computational domain on the center position of the vortex core

圖10 近地面計算域高度的影響曲線

Fig.10 Impact curve of the height of the near-ground computational domain

3.2.3 導(dǎo)流孔傾斜角度的分析

圖11、12是根據(jù)仿真結(jié)果得到的導(dǎo)流孔傾斜角θ對近地面平均風速、入口平均壓強及壓差的影響曲線. 由圖11、12可以看出，當θ>0°時，隨著導(dǎo)流孔傾角θ的逐漸增大，近地面平均風速逐漸增大，入口平均壓強逐漸減小，壓差逐漸增大；當θ<0°時，隨著導(dǎo)流孔傾角θ的逐漸減小，近地面平均風速逐漸增大，入口平均壓強逐漸減小，壓差逐漸增大；當θ=45°或θ=-45°時裝置產(chǎn)生的龍卷風的渦流比為0.625，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風最穩(wěn)定且強度最大，近地面平均風速最大、入口平均壓強最小且壓差也最大. 根據(jù)式(1)可知，當θ從0°到45°遞增時，該吸塵裝置內(nèi)龍卷風的渦流比也單調(diào)遞增，結(jié)合θ對流場的影響效果，說明在本裝置研究的傾斜角范圍內(nèi)對應(yīng)的渦流比，隨渦流比增加，吸塵裝置內(nèi)的風場結(jié)構(gòu)強度變大，有利于吸塵效率的提高.

圖11 導(dǎo)流孔傾斜角度對近地面平均風速的影響曲線

Fig.11 Effect curve of inclination angle of diversion orifice on the near-ground mean velocity

圖12 導(dǎo)流孔傾斜角度的影響曲線

Fig.12 Effect curve of inclination angle of diversion orifice

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當導(dǎo)流孔傾角θ靠近0°時，此時的導(dǎo)流孔吹進的氣流的切向速度較小，不利于龍卷風的形成；當導(dǎo)流孔傾角θ從0°逐漸增大到45°或減小到-45°時，此時的導(dǎo)流孔吹進的氣流為形成龍卷風提供了逐漸增大的切向速度，有利于形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且強度大的龍卷風.

3.3 擴展域參數(shù)對流場的影響

3.3.1 擴展域高度

圖13是根據(jù)仿真結(jié)果得到的近地面計算域無量綱高度H2/D1=0.2時擴展域高度H1對近地面平均風速的影響曲線. 由于近地面計算域無量綱高度H2/D1=0.2，所以為了能把吸嘴進風口和地面之間的這段的氣體流動情況包含進去，從擴展域高度H1與圓筒直徑D1的比值為0.2即擴展域高度H1=100 mm時開始取值. 由圖13可以看出隨著擴展域高度的增大吸嘴進風口覆蓋區(qū)域的近地面平均風速先減小，在擴展域高度與吸嘴直徑的比值為0.25即擴展域高度為125 mm時保持穩(wěn)定.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：開始時擴展域高度不足造成與大氣的連通度不夠，使得近地面處的氣流受大氣的影響相比實際情況較小，所以近地面的速度大；當擴展域的高度增大到適當?shù)母叨鹊臅r候，此時的擴展域高度達到了實際情況的連通度，再增大高度對近地面速度的影響變得十分小，所以近地面的速度基本達到了穩(wěn)定.

圖13 擴展域高度的影響曲線

3.3.2 擴展域直徑

本文在原有的裝置的基礎(chǔ)上其進行等比例縮放，并且在仿真時不改變進出口的條件，這樣來確保不同大小的裝置產(chǎn)生的龍卷風都具有相同的渦流比. 本組仿真實驗采用的D1=500 mm時的渦流比為0.625. 圖14是根據(jù)仿真結(jié)果得到的吸嘴直徑D1取值不同時的擴展域直徑D2對吸嘴進氣口覆蓋區(qū)域的近地面平均風速的影響曲線，仿真時取擴展域的無量綱高度為0.3. 圖15為吸嘴直徑D1對擴展域直徑閾值D2/D1的影響曲線.

圖14 擴展域直徑的影響曲線

由圖14可以看出，吸嘴直徑在不同水平下，均在增大擴展域直徑的開始階段近地面平均風速的數(shù)值有一段無規(guī)則的波動，當擴展域直徑與圓筒直徑的比值達到一定數(shù)值時，此時的近地面平均風速達到一個相對穩(wěn)定的值，也就是再增大擴展域的直徑對人造龍卷風的生成以及清掃效果的評估幾乎沒有影響. 由圖15可知，擴展域的閾值隨著吸嘴直徑的增大而減小，即本裝置所需擴展域的直徑與吸嘴直徑的比值隨著吸嘴直徑的增大而減小.

圖15 擴展域直徑閾值的影響曲線

Fig.15 Effect curve of diameter threshold in extended domain

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當擴展域直徑較小時，擴展域的尺寸小引起仿真失真，裝置與大氣的聯(lián)通情況相比實際情況差距很大，這造成了近地面速度劇烈變動，而隨著擴展域的直徑的逐漸增大，擴展域所包裹的區(qū)域與裝置實際情況下所擾動的大氣的區(qū)域逐漸接近，所以在擴展域直徑增大到5倍圓筒直徑的時候近地面的風速穩(wěn)定下來.

4 結(jié) 論

1)根據(jù)龍卷風發(fā)生原理設(shè)計了新型吸塵裝置，并基于計算流體動力學(xué)方法研究了排塵口高度、吸嘴直徑、吸嘴進風口距地面高度、導(dǎo)流孔傾斜角度、渦流比和擴展域參數(shù).

2)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，排塵口高度與吸嘴直徑的比值為1.6時，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風上部完全發(fā)展且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

3)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，吸嘴進風口距地面高度與吸嘴直徑的比值為0.25時，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風具有明顯的單渦結(jié)構(gòu)，吸嘴覆蓋區(qū)域的近地面風速最大，吸塵效果最好.

4)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，導(dǎo)流孔傾斜角度θ=45°或θ=-45°時裝置產(chǎn)生的龍卷風最穩(wěn)定且強度最大，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風的渦流比為0.625. 當僅通過改變導(dǎo)流孔傾斜角度θ使渦流比改變的情況下，隨著一定范圍內(nèi)的渦流比的增加，吸塵裝置內(nèi)的風場結(jié)構(gòu)的強度變大，有利于吸塵效率的提高.

5)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，擴展域的高度和直徑均存在閾值. 當擴展域高度與吸嘴直徑的比值為0.2時擴展域高度達到閾值，擴展域直徑的閾值隨著吸嘴直徑的增大而減小，即本裝置所需擴展域的直徑與吸嘴直徑的比值隨著吸嘴直徑的增大而減小. 當擴展域參數(shù)大于相應(yīng)閾值時，其影響可以忽略不計.