基于Fluent 的洗掃車吸嘴流場分析與改進(jìn)

黃帥帥， 張 沛， 姜衛(wèi)生， 郭海樂， 張 喆

（河南省鄭州市宇通重工有限公司， 河南 鄭州 451482）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)居民對居住環(huán)境需求的不斷提高， 政府近年來對城鎮(zhèn)環(huán)境的投入不斷加大， 環(huán)衛(wèi)機(jī)械化逐漸取代了人工勞動，對環(huán)境的改善起到了積極的作用。其中洗掃車被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)的主要道路，它聚集了清洗、打掃地面及收集垃圾的功能， 極大的提升了城鎮(zhèn)道路的清潔程度。洗掃車工作時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動帶動空氣流動，垃圾箱內(nèi)形成較大負(fù)壓，抽吸管內(nèi)形成較大的風(fēng)速，進(jìn)入吸嘴內(nèi)部的垃圾被卷起經(jīng)抽吸管進(jìn)入垃圾箱沉降。 當(dāng)進(jìn)入吸嘴的垃圾量較多或垃圾顆粒較大時， 部分區(qū)域的垃圾不易被卷入抽吸管內(nèi)，在吸嘴后部某區(qū)域容易發(fā)生遺漏。為提升洗掃車抽吸垃圾的效果， 主要從洗掃車的氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化方面入手， 如增大上裝風(fēng)機(jī)的型號和轉(zhuǎn)速、 降低壓力損失、優(yōu)化吸嘴結(jié)構(gòu)等方面入手。計算流體力學(xué)（CFD）在洗掃車氣力系統(tǒng)優(yōu)化過程中發(fā)揮重要作用， 其仿真結(jié)果可對洗掃車上裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)[1]。

本文以某款18 噸純電洗掃車的吸嘴結(jié)構(gòu)為例，通過CFD 仿真對吸嘴流場進(jìn)行分析和優(yōu)化， 旨在解決吸嘴中間及抽吸管尾部易發(fā)生垃圾遺漏的問題。 為驗證吸嘴流場分析及優(yōu)化結(jié)果的實際效果， 需對原吸嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行試制改進(jìn)，并裝車后進(jìn)行實車驗證，比較吸嘴結(jié)構(gòu)整改前后洗掃車的作業(yè)效果， 為CFD 仿真分析在洗掃車氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化中發(fā)揮的作用進(jìn)行探究。

1 理論基礎(chǔ)

對于所計算的流動，CFD 均需求解連續(xù)性方程和動量方程；若該流動包含熱量交換和可壓縮流體時，還需對能量方程進(jìn)行求解。

1.1 連續(xù)性方程

由質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而來，適用于可壓縮和不可壓縮流動，表述為單位時間內(nèi)某流體微元體質(zhì)量的增加等于該時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量：

式中：ρ—流體的密度；ν→—流體流速；源相Sm—從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

1.2 動量方程

表述為微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用于該微元體上的各種力之和，由牛頓第二定律得出：

式中：p—靜壓； g→和F→分別為重力體積力和外部體積力；τ=應(yīng)力張量，可通過上述公式計算。

本文對吸嘴結(jié)構(gòu)的流場進(jìn)行分析，主要流體為空氣，由于空氣流速相對較低，忽略空氣的可壓縮性，求解計算時不需對能量方程的求解。

2 CFD 仿真分析

2.1 模型前處理

將如圖1 所示的某款純電洗掃車的吸嘴結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化處理，吸嘴內(nèi)部寬度為2000mm，刪除對流場影響較小的結(jié)構(gòu)，保留前擋膠皮、后尼龍滑塊、吸嘴頂板、側(cè)擋板及抽吸管結(jié)構(gòu)， 處理后得到如圖2 所示的流體域模型， 前擋膠皮、 后尼龍滑塊、 左右側(cè)板下方分別設(shè)置為interior-front、interior-back、interior-left、interior-right，求解時可以監(jiān)測各interior 面的風(fēng)量和風(fēng)速。該吸嘴初始結(jié)構(gòu)的高度為90mm，前擋膠皮、后尼龍滑塊及側(cè)板距離地面高度固定不變。

圖2 流體域模型

圖1 吸嘴結(jié)構(gòu)模

2.2 求解設(shè)置

吸嘴內(nèi)空氣的流動屬于低速流動，且流場趨于穩(wěn)態(tài)，因此選擇壓力基求解器Pressure-Based type 和Steady 模型；考吸嘴內(nèi)存在較多漩渦的情況，選擇模擬渦流精度較高的Realizable k-epsilon 湍流模型；選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。吸嘴外部環(huán)境域即為大氣壓， 因此外部環(huán)境域的入口設(shè)置為pressure-inlet，壓力為0Pa；抽吸管出口設(shè)置為pressure-outlet，靜壓設(shè)置為-6000Pa。

2.3 仿真結(jié)果分析

表1 為仿真監(jiān)測的各界面的空氣質(zhì)量流量和流速的數(shù)據(jù)， 可以看出interiorfront、interior-back 面空氣的平均流速為64.22m/s 和51.68m/s， 圖3 所示為抽吸管中心處前后方向截面的速度矢量圖，可以看出該截面上位于抽吸管前后的空氣流速在65m/s 以上。該空氣流速已大于絕大多數(shù)垃圾的起動速度， 即大部分類型的垃圾進(jìn)入吸嘴空腔后會被氣流抬升，有利于垃圾的吸拾與收集[2]。

表1 各界面空氣質(zhì)量流量和流速

從圖4 所示的吸嘴內(nèi)部流線圖可以看出， 由于洗掃車作業(yè)時吸嘴內(nèi)部會存在較大的負(fù)壓， 空氣進(jìn)入吸嘴空腔后形成了多個較為明顯的強(qiáng)旋流。 經(jīng)吸嘴邊緣進(jìn)入吸嘴空腔的垃圾顆粒在該旋流的作用下被吸入抽吸口， 卷吸作用是通過氣力聚攏的方式來提升吸嘴抽吸垃圾的效果。 吸嘴空腔內(nèi)越接近抽吸口的位置， 內(nèi)部流場的速度越大， 垃圾越容易被卷入抽吸口。由于吸嘴中間的區(qū)域受到兩側(cè)抽吸口的共同影響，該位置的垃圾往抽吸口方向移動的分速度較小，被卷入抽吸口需要更長的時間，容易發(fā)生垃圾的遺漏；此外，當(dāng)?shù)孛胬枯^多或垃圾顆粒較大時，抽吸管對旋流卷入其下方的垃圾吸力不夠大，也會導(dǎo)致該位置殘留垃圾；這與洗掃車作業(yè)的實際情況基本一致。

圖3 抽吸管處速度矢量圖

圖4 流場流線圖

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析結(jié)果對比

為增加洗掃車作業(yè)時抽吸管對地面的吸力， 使垃圾能夠較快的進(jìn)入抽吸管， 現(xiàn)對吸嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的調(diào)整。 將吸嘴高度由90mm 降低至75mm 時，在同一邊界條件下再次進(jìn)行仿真分析。圖5 為吸嘴內(nèi)流場流線圖，可以看出吸嘴中部流場變化較小， 仍存在吸嘴中間易遺漏垃圾的風(fēng)險； 圖6 為吸嘴高度改變后右側(cè)抽吸管中間截面壓強(qiáng)云圖對比，可以看出吸嘴降低后，抽吸管下方地面與抽吸管內(nèi)部的壓力差梯度增大， 為下方的垃圾能夠進(jìn)入抽吸管內(nèi)部創(chuàng)造了更為有利的條件[3]。

圖5 流場流線圖（吸嘴降低）

圖6 右側(cè)抽吸管中間截面壓強(qiáng)云圖對比

在吸嘴降低的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對吸嘴繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。 為解決吸嘴中部垃圾易發(fā)生遺漏的問題，在吸嘴頂板中部增加被動反吹口， 被動反吹口進(jìn)風(fēng)口大小為115mm×15mm，高度45mm，伸入吸嘴內(nèi)部。對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的吸嘴模型前處理后，在同一邊界條件下再次進(jìn)行求解計算。從圖7 中可以看出，增加中部反吹口后，一定流量的空氣在吸嘴內(nèi)負(fù)壓的作用下經(jīng)反吹口進(jìn)入吸嘴內(nèi)部， 吸嘴內(nèi)部中間區(qū)域的流線更加順暢，表現(xiàn)為吸入吸嘴中間的垃圾可以更快的被抽至抽吸口處，有效提升該位置處垃圾向抽吸口運(yùn)動的速度。

圖7 流場流線圖（增加反吹口）

通過仿真結(jié)果對比可以看出，降低吸嘴高度和增加被動反吹口可在一定程度上解決吸嘴中間易遺漏垃圾的問題。從圖8 可以看出，抽吸管內(nèi)風(fēng)速較初始狀態(tài)略有提升，抽吸管內(nèi)風(fēng)速越高，垃圾的輸送效率越高，因此降低吸嘴高度以及吸嘴中間增加中部被動反吹口，有利于將垃圾吸拾至垃圾箱。

表2 為原結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的前擋膠皮、后尼龍滑塊、 左右側(cè)板、頂部反吹口處interior 界面及抽吸管出口處的流量和流速數(shù)據(jù)。從表中可以看出在同一邊界條件下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后前擋膠皮、 后尼龍滑塊、左右側(cè)擋板下方的空氣流量及流速略有下降，主要原因為一部分流量從中部反吹口進(jìn)入吸嘴空腔，該位置存在較大的速度， 可對該位置未懸浮的垃圾二次加速，將垃圾更快地吹向兩側(cè)的抽吸口出， 縮短垃圾在吸嘴內(nèi)部的停留時間， 在一定程度上解決吸嘴中間容易遺留垃圾的問題，改善洗掃車作業(yè)效果。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計及驗證經(jīng)驗， 若抽吸口處風(fēng)速大于所吸拾垃圾的懸浮速度， 洗掃車的作業(yè)效果已能滿足該作業(yè)場景的要求。 在此邊界條件下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的吸嘴抽吸口處風(fēng)速均達(dá)到了50m/s 以上， 遠(yuǎn)大于大部分垃圾的懸浮速度， 即對洗掃車作業(yè)范圍內(nèi)地面上垃圾的吸拾已較為高效[2]。且吸嘴前擋膠皮、后尼龍滑塊、左右側(cè)擋板下方的空氣流速均大于50m/s， 已大于常見垃圾的起動速度，大部分垃圾可以被旋流卷起經(jīng)抽吸管吸入垃圾箱內(nèi)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后抽吸口處的空氣流量及流速均有一定增大，有利于提升洗掃車的作業(yè)效果。

圖8 抽吸管處速度矢量圖（增加反吹口）

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各位置流量及流速

3 實車試驗

結(jié)合上述仿真分析結(jié)果， 根據(jù)優(yōu)化方案試制了如圖9 所示的純電洗掃車吸嘴結(jié)構(gòu)，較原吸嘴結(jié)構(gòu)調(diào)整如下：吸嘴高度降低15mm， 吸嘴頂部中間位置增加被動反吹口。 先后將兩款吸嘴安裝在同一純電洗掃車上進(jìn)行潔凈率實驗。潔凈率實驗參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，車速保持在8km/h，在長度為10.0m、 作業(yè)寬度為3.5m 的范圍內(nèi)均勻地鋪設(shè)800g/m2的砂石顆粒 （其中砂子600g/m2， 石子200g/m2），選擇同一檔位來保證上裝風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持一致，作業(yè)后將未被抽吸走的垃圾進(jìn)行收集并稱重，計算潔凈率。

圖10 為作業(yè)前路面砂石鋪設(shè)情況，圖11、圖12 分別為吸嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后進(jìn)行潔凈率實驗的效果圖。 可以看出， 裝載原吸嘴的洗掃車作業(yè)后有部分較大的石子不能經(jīng)吸嘴吸入垃圾箱， 該遺漏的石子主要集中在吸嘴中間的部位，潔凈率為98.2%。 裝載結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的吸嘴進(jìn)行作業(yè)后，原遺漏砂石較多的中間區(qū)域基本無石子殘留，潔凈率進(jìn)一步提高至99.0%，整體作業(yè)效果優(yōu)于原狀態(tài)。

圖9 優(yōu)化后吸嘴結(jié)構(gòu)

圖10 砂石鋪設(shè)效果

圖11 原吸嘴作業(yè)效果

圖12 優(yōu)化吸嘴作業(yè)效果

4 結(jié)論

為解決洗掃車作業(yè)時吸嘴中間及抽吸管尾部易發(fā)生垃圾遺留的問題，本文以某款純電洗掃車為研究對象，對洗掃車氣力輸送系統(tǒng)中的吸嘴模塊進(jìn)行了研究。CFD 仿真分析表明，吸嘴高度由90mm 降低至75mm，且吸嘴頂部中間增加被動反吹口后，抽吸口對地面的整體吸力增強(qiáng)，中部被動反吹的空氣可將垃圾吹向抽吸口處， 提升垃圾的吸拾效率。 實車試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的吸嘴改善了洗掃車作業(yè)時吸嘴中部及抽吸管尾部易遺漏垃圾的問題，提高了洗掃車作業(yè)時的潔凈率。