清掃車吸口氣流速度及壓力損失研究

張晨光，謝立揚(yáng)

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

引風(fēng)機(jī)是吸掃式清掃車的“心臟”。引風(fēng)機(jī)造成的空氣流動使吸口處形成負(fù)壓，從而完成對垃圾的撿拾和吸送。引風(fēng)機(jī)的選擇對清掃車的清掃效率起決定作用［1］。在清掃車的設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)機(jī)是根據(jù)垃圾的類型與管路阻力的大小而定。其中，吸口處的壓力損失是管路阻力計(jì)算的重要環(huán)節(jié)，約占總壓損的30%［2-3］。吸口處的負(fù)壓不僅要負(fù)責(zé)完成對垃圾的可靠收集，而且還對吸口處的除塵起一定作用。吸口處的氣流速度越高，負(fù)壓也就越大，水流的霧化程度越好，對垃圾塵粒的捕獲、凝集作用越強(qiáng)，從而使除塵效果提高。但風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的提高，會使設(shè)備能耗增加，噪聲增大［4］。

長期以來，對于清掃車管路阻力尤其是吸口處的壓力損失，還未提出一套合理的計(jì)算方法，更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。因此，本文主要通過對吸口處的速度特性和壓力分布進(jìn)行分析，建立起吸口壓力損失的計(jì)算模型，并利用Fluent流體力學(xué)軟件進(jìn)行仿真，為風(fēng)機(jī)和管路系統(tǒng)的參數(shù)選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 吸口壓力特性分析

清掃車在作業(yè)過程中，利用高壓風(fēng)機(jī)在吸口與地面的間隙中產(chǎn)生強(qiáng)大的負(fù)壓，從而形成較大的氣流加速度。垃圾塵粒在高速氣流的擾動下，其速度幾乎從靜止?fàn)顟B(tài)迅速加速到接近或等于氣流速度。在這一過程中，吸嘴處的壓力損失與空氣密度、氣流速度、吸口管壁摩擦系數(shù)、吸口管段長等參數(shù)有關(guān)。在清掃車作業(yè)過程中，吸口的工作過程可以看作是一種氣固兩相流的稀相輸送過程。其中，對于粉塵狀垃圾塵粒的輸送，雖然其與空氣的容積混合比Φ較低（Φ為垃圾塵粒與空氣的速度比），一般低于5%，但混合較為均勻，且運(yùn)動速度相當(dāng)（即Φ≈1），可以看作與空氣速度一致的一相流。密度ρs根據(jù)混合比的不同，在1.293～2.0kg/m3的范圍內(nèi)波動。對于吸入的較大體積的顆粒狀或塊狀垃圾，由于其混合比的難預(yù)料性和物料性質(zhì)的不確定性，很難按統(tǒng)一的形式計(jì)算。圖1為典型的吸掃式清掃車的吸口模型。

圖1 清掃車吸口模型

清掃車在工作過程中，吸口與地面之間始終會保持10mm左右的空隙，利用風(fēng)機(jī)的引風(fēng)作用在該處產(chǎn)生高速氣流。垃圾在吸送過程中，先是利用高速氣流在吸口外對其進(jìn)行擾動，使其由靜止?fàn)顟B(tài)開始加速，并跟隨氣流進(jìn)入吸口內(nèi)部；然后氣流速度進(jìn)一步增加，直至大于垃圾塵粒本身的懸浮速度，使垃圾塵粒從地面彈起，從而進(jìn)入喉管，完成整個吸送過程。由以上的分析，根據(jù)吸口工況的典型性，可以將吸口對垃圾塵粒的吸送過程劃分為3個區(qū)域：

（1）擾流區(qū)域（圖1中Ⅰ區(qū)域：吸口前后氣流入口以及貼附地面的區(qū)域）。為了使物料起動，從0到達(dá)穩(wěn)定速度，必須消耗一定的氣流能量。該區(qū)域內(nèi)氣流對垃圾塵粒進(jìn)行擾動，使其隨氣流移動并進(jìn)入吸口內(nèi)部，壓損記為ΔP1

式中 λ1為吸口擾動區(qū)域的壓損系數(shù)；v1為擾動氣流的速度。

（2）懸浮提升區(qū)域（圖1中Ⅱ區(qū)域）。在吸口內(nèi)部垃圾塵粒隨氣流離開地面，壓損記為ΔP2

2 吸口氣流速度特性分析

2.1 垃圾塵粒的起動

在入口區(qū)域，垃圾塵粒被清掃車收集之前，先要在清掃區(qū)域內(nèi)利用高速氣流對其進(jìn)行擾動。當(dāng)氣流速度達(dá)到某一臨界值時，垃圾塵粒便在切應(yīng)力的作用下克服塵粒與路面之間的摩擦阻力，開始向前滾動或滑動。因此，將令垃圾塵粒由靜止開始移動、翻滾的最小風(fēng)速定義為該類型垃圾的起動速度。只有當(dāng)氣流速度大于啟動速度時，垃圾塵粒才有可能移動，從而進(jìn)入清掃車吸口的收集區(qū)域。在清掃車的氣力收集系統(tǒng)中，起動速度對作業(yè)效果起到至關(guān)重要的作用。

對垃圾塵粒起動速度的研究主要借助于單個物體顆粒在水平管道內(nèi)受到充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)氣流作用時的運(yùn)動學(xué)原理。假定顆粒被靜止放置在水平的管道內(nèi)，且在水平方向上受力為0，當(dāng)受到來自固定方向上的穩(wěn)態(tài)氣流時，顆粒開始起動，則

塵粒就會懸浮在氣流中，這樣便具備了負(fù)壓吸送的基本條件。當(dāng)氣流速度大于垃圾塵粒的懸浮速度時，垃圾塵粒將隨氣流向上進(jìn)入垃圾箱，從而實(shí)現(xiàn)了吸送。因此，垃圾塵粒的懸浮速度是決定其能否被清掃車吸送的固有條件。球形顆粒懸浮速度的計(jì)算公式如下

2.3 清掃車喉管風(fēng)速

清掃車工作時，喉管內(nèi)的高速氣流要負(fù)責(zé)對由吸口進(jìn)入的垃圾塵粒迅速加速到接近或等于系統(tǒng)的氣流速度，因此，清掃車喉管風(fēng)速的大小對保證清掃作業(yè)的高效率性起到非常重要的作用。同時，喉管風(fēng)速及喉管截面積的大小還是清掃車進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型的重要依據(jù)，即為了保證清掃車的清掃效果，使各垃圾種類均可以被可靠吸送，必須選擇較大的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和喉管風(fēng)速。但如果氣流速度選取過大，必然以較大的功率消耗為代價，而且對除塵系統(tǒng)的性能要求也相應(yīng)提高。因此，通常情況下，清掃車喉管風(fēng)速應(yīng)控制在40m/s左右，即v3≈40m/s。

3 基于Fluent軟件的清掃車吸口仿真

為了對清掃車吸口的實(shí)際壓力損失進(jìn)行準(zhǔn)確有效的計(jì)算分析，本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對吸口氣路系統(tǒng)的流場進(jìn)行了仿真［5-6］。

3.1 建立物理模型

圖2 吸口物理模型

3.2 建立數(shù)學(xué)模型

清掃車在工作過程中，為了達(dá)到輸送垃圾塵

和壓強(qiáng)等數(shù)值，所以本次仿真采用Fluent軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型作為湍流計(jì)算模型。

湍流動能方程（κ方程）

3.3 仿真初始化

經(jīng)過計(jì)算，各入口和出口的湍流強(qiáng)度和水力直徑分別為：3.33%、262.56mm，3.99%、62.69mm，4.36%、174.21mm，3.99%、162.69mm，2.73%、200mm。

3.4 仿真結(jié)果分析

為了便于觀察吸口的內(nèi)部流場，建立如圖3、圖4所示剖面。其中，圖3為吸口底面的貼地流速矢內(nèi)的吸口縱切面流速矢量圖。

圖3 吸口底面的貼地流速矢量圖

圖4 吸口縱切面的流速矢量圖

分析可知：

（1）從圖3、圖4中可以看到，吸口入口區(qū)域的貼地風(fēng)速可以達(dá)到22.1m/s，大于之前分析過的20mm水泥混凝土碎塊的啟動速度，因此可以成功對大部分垃圾類型進(jìn)行擾動；在吸口內(nèi)部，不同區(qū)域的氣流速度差別較大，但存在風(fēng)速大于24.3m/s的高速氣流通道，可以實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入吸口內(nèi)的垃圾塵粒的提升和懸?。缓砉芴幍臍饬魉俣容^大，平均流速達(dá)到44.8m/s，滿足對清掃車喉管風(fēng)速的一般要求。

（2）該吸口采用“喇叭口”式形狀，在吸口貼地區(qū)和吸口內(nèi)部不存在明顯的渦旋死區(qū)，含塵氣流在進(jìn)入到吸口后，主速度方向都是朝著喉管方向流動，這有利于降低攜帶垃圾氣流在吸口中的停留時間，提高清掃效率。

（3）在吸口與外部的結(jié)合位置，氣流在負(fù)壓的作用下從外部進(jìn)入吸盤，不存在由于氣流外泄造成的二次污染。

綜上所述，該吸口模型能夠滿足對絕大部分垃圾種類的可靠收集和輸送，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理。

圖5 吸口內(nèi)部的壓力分布圖

為了便于分析，根據(jù)吸口擾流區(qū)、懸浮提升區(qū)和喉管區(qū)的劃分范圍在吸口內(nèi)部選取3個特征截面用于計(jì)算，如圖5所示。其中，截面A-A的均值壓力為PA=-621Pa，均值流速為27.9m/s；截面B-B的均值壓力為PB=-993Pa，均值流速為28.2m/s；截面C-C的均值壓力為PC=-1929Pa，均值流速為44.8m/s。由此可以得到：

（1）清掃車吸口擾流區(qū)域的壓力損失ΔP1=0-PA=621Pa，由公式（1）可以求得當(dāng)v1=27.9m/s時，入口區(qū)域的壓損系數(shù)λ1=1.06。

（2）吸口內(nèi)部懸浮提升區(qū)域的壓力損失ΔP2=PA-PB=370Pa，由公式（2）可以求得當(dāng)v2=28.2m/s時，懸浮提升區(qū)域的壓損系數(shù)λ2=0.62。

（3）喉管區(qū)域的壓力損失ΔP3=PB-PC=936Pa，由公式（3）可以求得當(dāng)v3=44.8m/s時，懸浮提升區(qū)域的壓損系數(shù)λ3=0.62。

（4）得到吸口處總壓力損失ΔP的計(jì)算模型如下

4 結(jié)束語

本文圍繞吸掃式清掃車吸口處的氣流速度和壓力損失進(jìn)行了相關(guān)研究，得出了以下結(jié)論：

（1）通過將清掃車吸口劃分為3個功能區(qū)域，對影響吸口風(fēng)速和壓力的各個因素進(jìn)行了分析，計(jì)算得出為了保證吸口對各種垃圾類型的可靠吸送，吸口擾流區(qū)域的氣流速度應(yīng)大于19.2m/s，吸口內(nèi)懸浮提升區(qū)域的氣流速度應(yīng)大于24.5m/s，喉管風(fēng)速應(yīng)控制在40m/s左右。

（2）提出了一種適用于吸掃式清掃車的吸口模型，并利用Fluent軟件進(jìn)行了流體力學(xué)仿真，通過不同功能區(qū)域的流場分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，該吸口模型能夠滿足對絕大部分垃圾類型的可靠收集和輸送。

（3）通過對清掃車吸口內(nèi)部3個特征截面的風(fēng)速和壓力分布進(jìn)行分析，得到了吸口壓損系數(shù)的取值，并建立了吸口處壓力損失的計(jì)算模型，為清掃車風(fēng)機(jī)和管路系統(tǒng)的參數(shù)選擇提供了理論參考。