吹吸式地鐵軌間區(qū)域清掃流場的數(shù)值分析

張鳴鳳，章易程，張方圓，吳強運，劉曉靜，郭員暢，劉 凡

(1.中南大學 交通運輸工程學院, 長沙 410075；2.長沙理工大學 能源與動力工程學院, 長沙 410114)

城市地鐵運營里程的不斷增加使得清掃地鐵運營環(huán)境成為文明城市建設(shè)的必然要求，而清掃車是目前地鐵隧道清掃的主要設(shè)備. 清掃方式對清掃車的清掃效果有著直接影響. 文獻[1-3]研究了吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能的影響；文獻[4]提出一種由扁形噴嘴傾斜吹風和較寬吸嘴吸風構(gòu)造的新型清掃裝置，并通過試驗證明射流角度為60°時清掃效果最好；文獻[5-6]運用氣固兩相流模型對中間吸風、兩側(cè)吹風的吹吸裝置進行結(jié)構(gòu)分析并提出改進；文獻[7]分析了L型反吹式吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵效果的影響規(guī)律；文獻[8]通過數(shù)值模擬提出V形反吹式吸嘴的清掃性能優(yōu)于傳統(tǒng)反吹式吸嘴. 上述研究中，采用單一吸嘴吸塵進行清掃的方式，難以滿足地鐵清掃效率的要求；采用吹吸式進行清掃的方式只單一研究了吹嘴結(jié)構(gòu)或者吸嘴結(jié)構(gòu)對清掃效果的影響，沒有考慮吹嘴和吸嘴的參數(shù)組合對清掃性能的影響. 以上兩種清掃方式均未考慮軌道對清掃車清掃效果的影響. 因此，本文提出一種新的吹吸式清掃方式，此方式主要針對地鐵軌間區(qū)域，采用氣固兩相流模擬對吹吸式清掃方式進行參數(shù)分析，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能的影響，并利用正交試驗的權(quán)矩陣分析法研究其位置參數(shù)對清掃效果的影響規(guī)律.

1 物理模型

圖1為吹吸式地鐵軌間區(qū)域清掃方式的結(jié)構(gòu)示意圖. 吹、吸組合式清掃方式由吹嘴1和吸嘴4分別承擔吹、吸工作；從吹嘴1產(chǎn)生的高速氣流噴向兩根軌道間的地面(即軌間區(qū)域)，將塵粒等垃圾吹起，再由吸嘴4提供的負壓將垃圾隨空氣吸入吸塵管道，最終送入集塵箱內(nèi)，從而達到清潔軌間區(qū)域的目的. 其中L1、L2分別為吸嘴和吹嘴的長度，B1、B2分別為吸嘴和吹嘴的寬度，H1、H2分別為吸嘴和吹嘴的高度，β1、β2分別為吹嘴和吸嘴與地面的傾角，L為吹嘴與吸嘴之間的距離，δ為吹、吸嘴距地面的高度.

(a)結(jié)構(gòu)參數(shù)

(b)位置參數(shù)

2 數(shù)值計算

2.1 前置處理

在吹吸組合式清掃方式中，本文將吹嘴和吸嘴工作時離地面間隙設(shè)為10 mm[9]. 為了更好地模擬吹嘴和吸嘴的工作過程，通常在其工作流場周圍添加適當擴展區(qū)來保證氣流的充分發(fā)展，使氣流的流動更加接近實際情況[9].

吹吸式清掃模型前后對稱，故為了節(jié)省計算量和計算時間，取其一半模型進行分析，其計算網(wǎng)格模型如圖2所示. 吹吸式清掃仿真模型中軌道結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此利用Fluent軟件將整體模型劃分為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格. 為了精確仿真結(jié)果，采用有限體積法進行方程的離散，選擇SIMPLE求解算法和二階迎風差分格式. 吹嘴入口采用質(zhì)量流量入口，設(shè)為4.6 kg/s；吸嘴出口采用壓強出口，設(shè)相對壓強為-2 300 Pa；與大氣連通的擴展區(qū)表面為壓力入口，設(shè)為標準大氣壓強. 為了模擬吹嘴和吸嘴工作，吹、吸嘴的壁面設(shè)為移動壁面，速度為10 km/h，其余壁面均設(shè)為無滑移壁面.

圖2 計算網(wǎng)格模型

由于清掃流場內(nèi)部是氣固兩相混合流，計算時采用歐拉-拉格朗日模型進行離散相的求解. 射流源設(shè)為面射流源，吹嘴和吸嘴底部擴展區(qū)域的前端面設(shè)為入射面，顆粒材料設(shè)為鐵屑，類型選用慣性顆粒. 為簡化模型，鐵屑采用均勻分布模式，設(shè)其直徑為3 mm，質(zhì)量流量為0.5 kg/s.

2.2 流場動力學方程

1)連續(xù)性方程：

(1)

式中：V為流體的速度矢量，ρ為流體密度，t為時間.

2)動量方程：

(2)

式中：校正壓力p′=p+((2/3)μ-ξ)V，等效粘性系數(shù)μe=μ+μT，湍流粘性系數(shù)μT=ρCμk2/ε,f為體積力，p為靜壓力，μ為層流粘性系數(shù)，ξ為體積粘性系數(shù)，k為湍流動能，ε為動能耗散系數(shù)，Cμ=0.09[10].

3) Realizablek-ε方程.由于該流場屬于湍流[11]，且k-ε方程能很好地預測氣流速度[12]，所以其計算模型采用Realizablek-ε方程：

(3)

(4)

4)歐拉-拉格朗日方程:

(5)

式中：m為塵粒質(zhì)量，v為塵粒速度，F(xiàn)d為粘性力，G為重力，F(xiàn)s為提升力.

2.3 塵粒啟動速度

塵粒的啟動速度指塵粒開始滾動的最小風速. 只有在近地面的氣流速度大于塵粒啟動速度的前提下，附著在地面上的塵粒才能順利起動[13]. 文獻[14]認為在塵粒啟動的過程中，塵粒自身的重力與其迎面阻力平衡，得出直徑0.08 mm以上的塵粒的啟動速度μs計算公式為

(6)

式中：A為經(jīng)驗系數(shù)，ρs為塵粒密度，d為塵粒直徑.

根據(jù)式(6)和文獻[15]中的實驗，直徑小于3 mm的鐵屑，其最大啟動速度為20 m/s.

3 影響參數(shù)分析

吹嘴吹出的氣流速度直接影響塵粒能否順利起動. 由塵粒啟動理論可知[16]，只有近地面氣流速度大于塵粒啟動速度時，塵粒才能被順利地吸走. 此外，吸嘴出口速度也會影響塵粒是否能順利進入集塵箱[9]. 同時，清掃效率是評價清掃車清掃性能的重要指標，故通過計算吸嘴出口處的顆粒溢出數(shù)量和顆粒注入總量的比值對吹吸式清掃方式的吸塵性能進行合理的評價. 因此，本文以吹嘴吹口速度、近地面平均速度、吸嘴入口壓強、吸嘴出口平均速度和清掃效率作為指標判斷各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響. 由于鐵屑直徑一般不大于3 mm[5]，所以選取該高度處吹嘴和吸嘴之間的長方形區(qū)域作為近地面指標的分析區(qū)域.

因吹嘴入口和吸嘴出口部分還要連接吹風管道和吸塵管道，故暫時不考慮吸嘴與吹嘴的長度L1、L2. 中國地鐵線路采用1 435 mm的標準軌距. 綜合考慮清掃車進行作業(yè)時，吸嘴的靈活性和邊角的清掃效果，將吸嘴寬度B1設(shè)定為1 400 mm. 由于吸嘴的高度主要受地面上塵粒的形狀大小影響，根據(jù)文獻[13,17]，吸嘴的高度H1設(shè)定為130 mm.

3.1 吹嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

3.1.1 吹嘴寬度

通過改變吹吸嘴寬度比iB(iB為吹嘴寬度B2與吸嘴寬度B1的比值)來改變吹嘴的寬度，其流場仿真結(jié)果如圖3、4所示.

圖3 寬度對評價指標的影響

圖4 寬度對清掃效率的影響

由上圖可知，隨著寬度比的增加，吹嘴吹口速度、近地面平均速度、吸嘴入口壓強和出口平均速度不斷減小，清掃效率先增加后減小.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：吹嘴入口流量一定，隨著寬度比增加，吹嘴橫截面積增大，使得吹嘴吹口速度減小，近地面平均速度減小. 寬度比的增加，使得流場與大氣的連通度減小，寬度比小于0.98時，吸嘴入口處的負壓受吹嘴吹口速度影響較小，因此吸嘴入口壓強緩慢下降，吸塵能力增加，使得清掃效率逐漸提高；寬度比大于0.98時，吸嘴入口處的負壓受吹嘴吹口速度影響開始逐漸增大，吸嘴入口壓強急劇下降. 吹嘴橫截面積的增加使得吹風面積增大，逃逸的顆粒數(shù)量增多，清掃效率下降. 吸嘴入口處的負壓作用降低，使得出口平均速度減小.

3.1.2 吹嘴高度

通過改變吹吸嘴高度比iH(iH為吹嘴高度H2與吸嘴高度H1的比值)來改變吹嘴的高度，其流場仿真結(jié)果如圖5、6所示.

圖5 高度對評價指標的影響

圖6 高度對清掃效率的影響

由圖5、6可知，隨著高度比的增加，吹嘴吹口速度、近地面平均速度和出口平均速度不斷減小，吸嘴入口壓強和清掃效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：吹嘴入口流量一定，隨著高度比的增加，吹嘴橫截面積增大，使得吹嘴吹口速度減小，近地面平均速度減小. 高度比小于0.92時，隨著高度比的增加，流場與大氣的連通度減小，受大氣壓強的影響逐漸減小，使得吸嘴入口處的負壓作用增加，因而清掃效率和吸嘴入口壓強增大；高度比大于0.92時，吹嘴高度的增加使得吹嘴吹口遠離地面的一端與吸嘴入口的距離縮短，減小了沿程損失，使得吸嘴入口壓強降低. 吹嘴橫截面積的增加使得吹風面積增大，逃逸的顆粒數(shù)量增多，清掃效率下降. 如圖7所示，吸嘴的出口處壓強為一恒定值，吹嘴高度的增加使得吹嘴的水力半徑增大，流動阻力減小，能量損失較小，因此出口平均速度緩慢減小.

根據(jù)參數(shù)影響分析，吹嘴寬度B2與吸嘴寬度B1的比值iB取為0.93，吹嘴高度H2與吸嘴高度H1的比值iH取為0.92.

圖7 水力半徑隨高度比的變化曲線

3.2 位置參數(shù)優(yōu)化

吹吸組合式清掃方案中，吹嘴與吸嘴之間的距離L直接決定吸塵氣流受吹風氣流影響的程度，吹嘴與地面的夾角β1、吸嘴與地面的夾角β2以及吹、吸嘴離地高度δ影響吹、吸嘴之間近地面的速度以及在地面形成的風幕范圍. 因此，吹嘴與吸嘴之間的距離L、吹嘴與地面的夾角β1、吸嘴與地面的夾角β2以及吹、吸嘴離地高度δ對清掃性能有著重要的影響. 為了獲得上述各參數(shù)的最優(yōu)化配置，借助正交試驗對其進行分析.

3.2.1 試驗設(shè)計方案

考慮到吹嘴傾角和吸嘴傾角的各種角度組合，吹嘴傾角和吸嘴傾角應(yīng)選取相同的值；吹吸嘴離地面的高度一般控制在20 mm之內(nèi)[13]. 因此，對吹嘴與吸嘴之間的距離L、吹嘴與地面的夾角β1、吸嘴與地面的夾角β2以及吹、吸嘴離地高度δ這4個因素，分別采用等間距的4個水平，選用L16(45)試驗表，其因素與水平見表1.

表1 因素與水平表

3.2.2 結(jié)果分析

為了評估吹、吸的功率，借助出進風功率比ζ來進行分析，其計算公式為

(7)

式中Po、Pi為流出吸嘴的風功率和進入吹嘴的風功率. 風功率P′的計算公式為

P′=ps·qV，

(8)

其中ps、qV為靜壓和體積流量.

因此，選用近地面平均速度、出口平均速度、吸嘴入口壓強、出進功率比和清掃效率作為試驗結(jié)果的考察指標. 其中，近地面平均速度、出口平均速度、出進功率比和清掃效率在一定范圍內(nèi)越大越好，吸嘴入口壓強在一定范圍內(nèi)則越小越好. 正交試驗結(jié)果見表2，表3為極差分析結(jié)果.

表2 試驗結(jié)果

表3 極差分析結(jié)果

由表3可知，對近地面平均速度、出口平均速度、吸嘴入口壓強、出進功率比和清掃效率，其影響因素的主次順序分別為BDAC、CBDA、CADB、BCDA、CBAD. 極差分析主要選取影響單個考察指標因素的最優(yōu)方案，無法對多個考察指標進行綜合性能的選取. 因此，本文應(yīng)用權(quán)矩陣分析法，根據(jù)式(9)計算影響考察指標的各因素各水平的權(quán)重值大小[18]，并根據(jù)權(quán)重值獲得綜合優(yōu)化方案，計算結(jié)果見表4.

表4 各因素水平矩陣分析

ω=MTS.

(9)

式中：ω為影響試驗考察指標的權(quán)矩陣，M為試驗考察指標層矩陣，T為因素層矩陣，S為水平層矩陣.

根據(jù)計算結(jié)果，各因素對考察指標影響的主次順序依次為CBAD，最優(yōu)方案為A2B1C1D4，其清掃效率達93%.

4 優(yōu)化后的流場分析

4.1 速度

圖8為吹吸式清掃方式工作時內(nèi)部氣體速度矢量圖. 從圖8可以看出，左邊吹嘴吹出的氣流在軌間區(qū)域形成封閉氣幕，同時在右邊吸嘴負壓的作用下，攜塵氣流被吸入吸嘴內(nèi)部，將軌間區(qū)域的塵粒輸送至集塵箱內(nèi).

圖8 吹吸式清掃流場速度矢量圖(m/s)

圖9為近地面速度矢量圖. 其中，Ⅰ處表示的吹嘴附近速度為30.8～41.0 m/s，Ⅱ處表示的吸嘴附近速度為51.3.1～61.5 m/s，這些速度均大于20 m/s，說明吸塵效果較好.

圖10為吹吸組合式清掃方式左右對稱面速度矢量圖. 其中，Ⅲ處表示的軌間區(qū)域近地面速度為51.3～61.5 m/s，說明近地面氣流流速高且方向緊貼地面，氣流在吸嘴負壓作用下進入集塵箱內(nèi)，不會輕易形成二次揚塵. Ⅳ處表示的吸嘴出口處的速度為41.0～71.8 m/s，平均速度為48.83 m/s，這使得塵粒等垃圾較容易進入集塵箱.

圖9 近地面速度矢量圖(m/s)

圖10 前后對稱面速度矢量圖(m/s)

4.2 對稱面壓強

圖11為吹吸組合式清掃方式左右對稱面壓強. Ⅴ處表示吸嘴入口處的平均壓強為98.88 kPa，小于標準大氣壓，說明吸嘴提供的負壓可以使塵粒被吸嘴進入.

圖11 左右對稱面壓強(kPa)

4.3 顆粒相運動

本文以直徑3 mm的鐵屑作為研究對象，跟蹤其在吹吸式清掃流場內(nèi)的運動情況，結(jié)果如圖12所示. 從圖12可以看出，除了撞擊到軌道反彈出去的少數(shù)鐵屑顆粒，其余鐵屑顆?；究梢皂樌晃煳? 反彈出去的顆粒數(shù)與吸嘴吸走的顆粒數(shù)之比為0.03.

圖12 鐵屑的運動速度及軌跡

5 結(jié) 論

1)吹嘴寬度不大于吸嘴寬度的0.93時，增大吹嘴寬度可以提高吸嘴入口處的壓力真空度，增強吸塵能力，提高清掃效率.

2)吹嘴高度不小于吸嘴高度的0.92時，增大吹嘴高度雖然可以提高吸嘴的吸塵能力，但降低了近地面平均速度和吹嘴出口速度，不利于塵粒的吹起.

3)利用正交試驗的權(quán)矩陣分析法，對近地面平均速度、出口平均速度、吸嘴入口壓強、出進功率比和清掃效率進行綜合性能的權(quán)重值計算，權(quán)重影響最大方案為(主→次)：吸嘴傾角20°、吹嘴傾角20°、吹吸嘴之間的距離700 mm、吹吸嘴離地高度20 mm.