整車環(huán)境下洗掃車氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)特性研究

王永照1 王鼎2 張倩文2 牛強(qiáng)3

1. 甘肅省建筑機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室有限公司 甘肅蘭州 730050

2. 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430070

3. 甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730000

1 前言

城市道路洗掃車是集路面垃圾收集、清掃和運(yùn)輸為一體的新型高效道路清掃設(shè)備，多是在專用車底盤上改裝而成[1]。氣力輸送系統(tǒng)是城市道路洗掃車的主要功能部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的高低直接影響洗掃車的工作性能，進(jìn)而影響城市道路洗掃車的發(fā)展和創(chuàng)新。

對(duì)于城市道路洗掃車的氣力輸送系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了較為廣泛的研究，如美國(guó)的ELGIN公司設(shè)計(jì)的雙管道循環(huán)式氣路系統(tǒng)，利用反吹口和吸管將從集塵箱過(guò)

濾后的氣體反吹回吸嘴下部，提高了空氣的利用率和清掃車的清掃效果[2]；陳忠基等通過(guò)對(duì)吸嘴加裝翼板與側(cè)板，改善了吸嘴處的氣流分布[3]；歐陽(yáng)智江分析了吸塵口前后擋板的寬窄、擋板的卷邊結(jié)構(gòu)及前擋板的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)吸塵口吸塵性能的影響，設(shè)計(jì)出了一種前寬后窄、帶卷邊且前擋板為曲面的吸塵口[4]；臺(tái)冰豐等研究了帶氣流擴(kuò)展區(qū)的吸塵口在不同傾斜角下進(jìn)氣口處的氣流流場(chǎng)分布和各個(gè)進(jìn)氣面進(jìn)氣量情況，得到最佳的吸嘴傾斜角和吸塵口布局，改善了吸塵口的流場(chǎng)特性[5]；云現(xiàn)杰等分析了吸塵盤肩部夾角、吸塵盤高度、吸管的形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵盤內(nèi)流場(chǎng)特性的影響，并對(duì)吸塵盤結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使吸塵盤的工作性能得到了較大的改善[6]。

目前，對(duì)于氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)特性的研究均是采用在吸嘴四周建立氣流擴(kuò)展區(qū)的方法，并沒(méi)有考慮整車環(huán)境因素對(duì)氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文擬對(duì)整車環(huán)境下清掃車氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)仿真，考慮外界環(huán)境、車身結(jié)構(gòu)、盤刷裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)清掃車氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)分布的影響，并對(duì)吸嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)與分析。

2 洗掃車整車結(jié)構(gòu)與工作原理

洗掃車以汽車二類底盤為基礎(chǔ)，加裝副車架、副發(fā)動(dòng)機(jī)、水箱、清掃作業(yè)裝置、吸塵系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、高壓水路系統(tǒng)、低壓水路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、傳感裝置等設(shè)計(jì)而成。本文所研究的洗掃車氣力輸送系統(tǒng)為開(kāi)放式氣力輸送系統(tǒng)，工作原理如圖1所示。洗掃車工作時(shí)，高壓離心風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)使集塵罐體和吸腔內(nèi)形成一定的負(fù)壓和高速氣流，在吸腔與外界的氣壓差和高速氣流作用下，垃圾和塵粒被氣流攜帶并通過(guò)氣力輸送系統(tǒng)的吸塵管道進(jìn)入集塵罐體中。利用重力除塵的方法，在集塵罐體中完成垃圾和塵粒與氣體的分離，氣體經(jīng)過(guò)濾裝置過(guò)濾后排放到大氣中。

3 洗掃車氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)仿真

3.1 流體仿真控制方程

洗掃車工作時(shí)，垃圾和塵粒從吸塵管道進(jìn)入集塵罐體，氣體則通過(guò)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口排放到大氣中，氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)仿真時(shí)應(yīng)遵循連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：

a.連續(xù)性方程

式中，ρ為流體密度，kg/m3；V為流體速度矢量，m/s。b.動(dòng)量方程

式中，P為控制體上所受的壓力，Pa； τx、 τy、 τz為因分子之間粘性作用產(chǎn)生的作用于控制體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量，Pa； Fx、 Fy、 Fz為控制體所受外力分量，N。

考慮到吸嘴進(jìn)氣時(shí)，清掃車盤刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)使得吸嘴進(jìn)氣口處的氣流形成漩渦及產(chǎn)生一定程度的輕微旋轉(zhuǎn)，整車運(yùn)動(dòng)時(shí)車身結(jié)構(gòu)、底盤結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)行整車環(huán)境下清掃車氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)仿真時(shí)采用對(duì)復(fù)雜剪切流動(dòng)適應(yīng)性好且適用于汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬的realizable k-ε湍流模型。湍流動(dòng)能k方程和湍流耗散率ε方程可用來(lái)描述realizable k-ε 湍流模型。湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程分別為：

式中，ui為平均速度分量；xi、 xj為坐標(biāo)變量；ρ為流體密度；E為時(shí)均應(yīng)變率；ut為湍動(dòng)粘度；v為運(yùn)動(dòng)粘度；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)動(dòng)能

3.2 洗掃車幾何模型

3.2.1 整車幾何模型

整車三維模型的長(zhǎng)、寬、高根據(jù)清掃車的實(shí)際尺寸利用CATIA軟件進(jìn)行1:1建模。如圖2所示，整車的長(zhǎng)×寬×高分別為9 110 mm×2 470 mm×2 970 mm，坐標(biāo)原點(diǎn)符合汽車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其主要組成部分為底盤、副車架、前后水箱、副發(fā)動(dòng)機(jī)罩、清掃作業(yè)裝置（盤刷）、完整的氣力輸送系統(tǒng)（吸嘴、吸塵管道、集塵罐體、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)），其整車參數(shù)如表1。在考慮計(jì)算資源的基礎(chǔ)上，對(duì)洗掃車整車的幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。如將前后水箱、副發(fā)動(dòng)機(jī)罩等表面作了平滑處理，忽略清掃車的后視鏡、門把手等特征。

圖2 整車三維模型

表1 洗掃車整車參數(shù)

3.2.2 吸嘴模型

綜合考慮清掃車底盤下部空間布局、整車寬度、吸嘴離地間隙、吸塵效果等因素的影響，按照實(shí)際模型建立的1:1吸嘴三維模型如圖3所示。

3.2.3 塵管道及集塵罐體模型

吸塵管道和集塵罐體的三維幾何模型如圖4所示。吸塵管道分為三段：第一段與吸嘴的吸管相連，呈垂直于水平方向布置，長(zhǎng)度為900 mm；第二段為彎管，作為第一段和第三段的過(guò)渡連接部分，其半徑為300 mm；第三段延伸到集塵罐體內(nèi)部，將吸嘴吸入的垃圾塵粒和氣流引入集塵罐體中，其長(zhǎng)度為1 450 mm。集塵罐體總長(zhǎng)度為3 040 mm，罐體的直徑為1 662 mm，罐體尾門的直徑為1 600 mm。

圖3 吸嘴三維模型

圖4 吸塵管道和集塵罐體三維模型

3.2.4 風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)機(jī)是吸掃式清掃車的重要工作部分，吸嘴處負(fù)壓和高速氣流都來(lái)源于風(fēng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)。本車所用風(fēng)機(jī)為某公司的YZ926-7.4#C高壓離心風(fēng)機(jī)，葉輪為后向式，共有16片葉片，風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 350 r/min。風(fēng)機(jī)的實(shí)物模型、三維幾何模型如圖5所示。風(fēng)機(jī)的建模包括風(fēng)道、蝸殼、葉輪。風(fēng)機(jī)工作時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子處產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，屬于旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)問(wèn)題。在處理旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，運(yùn)用多參考坐標(biāo)系模型（MRF）高效而有用。運(yùn)用MRF方法可以將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子部分的瞬態(tài)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問(wèn)題進(jìn)行求解，求解時(shí)旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格保持靜止。

圖5 風(fēng)機(jī)三維模型

3.2.5 盤刷模型

對(duì)盤刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將掃盤和刷毛部分處理為圓臺(tái)形，如圖6所示。

圖6 盤刷機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

4 外流場(chǎng)仿真

4.1 計(jì)算域構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

車輛長(zhǎng)度為L(zhǎng)，計(jì)算域長(zhǎng)度為8L（入口距洗掃車前臉為2L，計(jì)算域出口距洗掃車尾端為5L），計(jì)算域的寬度為所研究車型的7倍寬（左右各3倍寬），高度為4倍車高。計(jì)算域示意圖如圖7所示。

圖7 計(jì)算域示意圖

利用ICEM CFD對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、左右掃盤和刷毛設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，車身表面面網(wǎng)格示意圖如圖8所示。

圖8 整車面網(wǎng)格示意圖

4.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)所建模型，邊界條件的設(shè)置如下。

a.入口邊界條件：速度入口，來(lái)流速度大小v=7 km/h，方向?yàn)閤軸負(fù)方向；

b.出口邊界條件：壓力出口，大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即靜壓值為0 ；

c.壁面邊界條件：地面及洗掃車車身表面設(shè)置為固定壁面；

d.對(duì)稱面邊界條件：外流場(chǎng)計(jì)算域的左右兩個(gè)側(cè)面及頂面設(shè)置為對(duì)稱面邊界；

e.旋轉(zhuǎn)域邊界條件：根據(jù)所建三維幾何模型，得到風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)中心為（-3.8，0，0.033），旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閥軸正方向，轉(zhuǎn)速為2 350 r/min；左盤刷旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)（-2.94，1.05，0），轉(zhuǎn)速為115r/min，旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閦軸負(fù)方向；右盤刷旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)中心為（-2.94，-1.05，0），轉(zhuǎn)速為115 r/min，旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閦軸正方向。

4.3 仿真結(jié)果分析

整車環(huán)境下洗掃車氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9所示，外流場(chǎng)氣流速度接近2 m/s。從縱向?qū)ΨQ面速度分布云圖可知洗掃車風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口處的速度最大，在此處，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口將集塵罐體中與塵粒分離后的氣流排放到外流場(chǎng)中。

圖9 縱向?qū)ΨQ面速度分布云圖

圖10所示為洗掃車底部速度場(chǎng)分布。由于受到變速器、傳動(dòng)軸等部件的阻礙作用，底部氣流速度整體偏低，氣流速度大小在1 m/s以下。當(dāng)氣流流過(guò)變速器、傳動(dòng)軸以后，速度又逐漸增加到2 m/s左右。

圖11、12所示為吸嘴內(nèi)部壓力場(chǎng)分布。洗掃車工作時(shí)在吸腔和吸管內(nèi)形成一定的負(fù)壓，負(fù)壓按照一定梯度進(jìn)行變化，其中最大負(fù)壓出現(xiàn)在吸嘴腔體和吸管的過(guò)渡連接處。這是因?yàn)楫?dāng)氣流從橫截面積較大的吸嘴腔體進(jìn)入吸管時(shí)，橫截面積突然減小，氣流速度急劇上升，氣流流速越快則氣壓越小，所以在此過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生極大的負(fù)壓。吸嘴兩吸管之間的區(qū)域和吸嘴左右兩側(cè)肩部區(qū)域的負(fù)壓比吸管正下方負(fù)壓要小，這是因?yàn)槲苷路綒饬鞯牧魉傧啾扔谶@兩個(gè)區(qū)域流速更快，所以此處負(fù)壓更大。整個(gè)吸腔內(nèi)部壓力分布比較均勻，由于結(jié)構(gòu)的突變，吸嘴腔體和吸管過(guò)渡處壓力梯度變化較明顯，造成一定的壓力損失。由圖12可知，吸嘴前進(jìn)氣面處負(fù)壓最小，此處是外流場(chǎng)中空氣進(jìn)入吸嘴的主要入口，往吸管方向向上負(fù)壓逐漸變大，吸嘴前、后進(jìn)氣面和吸腔內(nèi)的壓力差為垃圾和塵粒進(jìn)入吸嘴腔體并通過(guò)吸塵管道運(yùn)送到集塵罐體中創(chuàng)造了有利的條件。

圖10 清掃車底部速度分布云圖

圖11 吸嘴腔中心橫截面靜壓分布云圖

圖13、14所示為吸腔和吸管內(nèi)部速度流場(chǎng)分布。由圖13可知，吸腔內(nèi)部大部分區(qū)域的氣流速度分布在(22～30)m/s，基本滿足路面塵粒的起動(dòng)要求。氣流速度在吸腔和吸管的過(guò)渡連接處達(dá)到最大值55.42 m/s。但是，吸腔內(nèi)整體的速度場(chǎng)分布不夠理想，在吸嘴左右兩側(cè)肩部及中間肩部附近存在一定的低速氣流區(qū)及速度梯度變化較大的區(qū)域，速度梯度變化較大的區(qū)域會(huì)造成能量損失，影響吸嘴的吸塵性能。圖14中，氣流從吸嘴前后進(jìn)氣口進(jìn)入吸腔沿著吸塵管道向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣流流過(guò)的截面面積突然變小，速度急劇上升，有利于垃圾和塵粒的向上運(yùn)輸。但氣流從吸嘴的前進(jìn)氣面進(jìn)入吸腔后在水平方向持續(xù)的時(shí)間很短，導(dǎo)致前后進(jìn)氣面的進(jìn)氣量不均勻，影響吸嘴的吸塵性能。

圖12 吸管中心縱截面靜壓分布云圖

圖13 吸腔中心橫截面速度分布云圖

圖14 吸管中心縱截面速度矢量圖

圖15為吸嘴近地面氣流速度分布云圖，由圖15可知，在離兩吸管較近的區(qū)域氣流速度偏高，氣流速度范圍為(28～40)m/s。離兩吸管較遠(yuǎn)的區(qū)域氣流速度偏低，氣流速度范圍為(20～24)m/s。由此可知，吸嘴內(nèi)的氣流能使路面常見(jiàn)塵粒順利起動(dòng)，但是整體上氣流速度分布不夠均勻，所以需要進(jìn)一步改善清掃車氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分布。

圖15 吸嘴離地10 mm進(jìn)氣面氣流速度分布云圖

5 清掃車氣力輸送系統(tǒng)改進(jìn)及流場(chǎng)仿真

5.1 吸腔高度對(duì)氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)的影響

吸腔高度對(duì)改善洗掃車氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分布非常關(guān)鍵。在保持洗掃車行駛車速7 km/h、盤刷轉(zhuǎn)速115 r/min、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 350 r/min、吸嘴的離地間隙10 mm、吸嘴吸管的直徑、吸嘴總長(zhǎng)L=2200 mm、總寬B=100 mm、總高H=300 mm不變的條件下，研究不同吸腔高度下吸腔中心橫截面處的流場(chǎng)分布如圖16所示。

隨著吸腔高度的降低，吸腔內(nèi)氣流速度分布越來(lái)越均勻，吸腔內(nèi)各處氣流速度都有一定的提高，且氣流進(jìn)入吸管時(shí)的最大速度從55.2 m/s增加到57.1 m/s，速度提高比較明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見(jiàn)塵粒的懸浮速度，能使塵粒順利通過(guò)吸塵管道進(jìn)入集塵罐體中。從圖中還可以得知，當(dāng)吸腔高度從200 mm下降至170 mm時(shí)，吸嘴左右肩部及中間肩部附近的低速氣流區(qū)及速度梯度變化較大的區(qū)域逐漸減少。當(dāng)吸腔高度下降至160 mm時(shí)，這些區(qū)域基本消失。這說(shuō)明通過(guò)改變吸腔的高度能有效改善吸嘴的吸塵能力，進(jìn)而改善氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分布，對(duì)提高清掃車的清掃效率非常有益。

5.2 吸管直徑對(duì)氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)的影響

本節(jié)將討論在吸腔高度為160 mm時(shí)，不同的吸管直徑對(duì)清掃車氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)的影響，以確定合適的吸管直徑。

圖16 不同吸腔高度下的吸腔中心橫截面處的速度分布云圖

圖17 不同的吸管直徑時(shí)吸腔中心橫截面速度分布云圖

綜合分析圖17可知，吸管直徑d越小，氣流通過(guò)吸腔和吸嘴的過(guò)渡處進(jìn)入吸管時(shí)的氣流速度越大。當(dāng)吸管直徑為160 mm時(shí)，氣流進(jìn)入吸管的速度最大值為62.24 m/s，吸腔內(nèi)的氣流速度分布整體偏低，吸腔內(nèi)大部分區(qū)域氣流速度分布在20 m/s以下，不利于塵粒的起動(dòng)。當(dāng)吸管直徑增加到170 mm時(shí)，吸腔內(nèi)的氣流速度分布有所改善，但吸塵核心區(qū)氣流速度仍然較低。吸管直徑增加到180 mm時(shí)，只有吸嘴中間肩部存在一定的低速區(qū)，吸腔內(nèi)其他區(qū)域低速區(qū)基本消失，整體上看氣流速度分布比較均勻，這有利于改善氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分布。由圖17(d)、(e)可知，隨著吸管直徑繼續(xù)增大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入吸管的最大氣流速度下降。吸嘴中間肩部的近地面低速氣流區(qū)增多，吸嘴左右兩側(cè)肩部出現(xiàn)氣流速度梯度變化大的區(qū)域。如果要改善吸腔內(nèi)的氣流速度分布，提高吸管的氣流速度，需要加大風(fēng)機(jī)功率來(lái)增加吸嘴的進(jìn)氣量，不利于節(jié)能，會(huì)造成清掃車工作經(jīng)濟(jì)性下降。綜合以上分析可知，吸管直徑為180 mm時(shí)，吸腔內(nèi)的氣流速度分布最佳，同時(shí)也能保證洗掃車工作經(jīng)濟(jì)性良好。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某城市道路洗掃車為研究對(duì)象，考慮行駛車速、車身結(jié)構(gòu)、盤刷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)整車環(huán)境下洗掃車氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)特性進(jìn)行了深入的研究。研究了不同吸腔高度、吸管的直徑對(duì)氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分布的影響。仿真結(jié)果表明，在保持吸嘴的總長(zhǎng)、總寬、總高不變，吸腔高度為160 mm，吸管直徑為180 mm時(shí)，洗掃車氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分布非常合理。該結(jié)果與單一地在吸嘴四周建立氣流擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)仿真相比，更加符合洗掃車工作的真實(shí)情況，對(duì)指導(dǎo)洗掃車氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作具有重要意義。