小型純電動(dòng)掃路機(jī)流場性能分析

黃秋芳

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 福建龍巖 364028

為了彌補(bǔ)國內(nèi)市場上因掃路車普遍體積大而無法在狹小區(qū)域作業(yè)的不足，小型掃路機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。掃路機(jī)因?yàn)轶w積小，機(jī)動(dòng)靈活，清掃能力強(qiáng)，可快速清掃落葉、石子、沙塵、白色垃圾等優(yōu)勢，在城市輔道、狹窄道路、公園等區(qū)域有著充分的優(yōu)越性和適應(yīng)性。因此，掃路機(jī)具有良好的發(fā)展空間和市場前景。因此，針對(duì)掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的研究和探索，既有重要的科研價(jià)值，又有一定的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

目前，用數(shù)值模擬方法研究氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部流場已成為改進(jìn)和優(yōu)化掃路機(jī)設(shè)計(jì)的一種重要手段。本文擬對(duì)掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)典型工況下的內(nèi)部氣體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，獲得氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)的速度場、壓力場，并分析吸嘴、垃圾箱等結(jié)構(gòu)對(duì)流速分布、壓力分布以及吸塵性能的影響，以提出氣力輸送系統(tǒng)吸嘴、垃圾箱等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

1 有限元建模

利用有限元分析軟件建立小型掃路機(jī)的有限元模型如圖1所示。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，掃路機(jī)的基本網(wǎng)格大小選取15 mm；對(duì)于吸塵盤、風(fēng)管及垃圾箱氣流存在分離處網(wǎng)格適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸為10 mm；局部細(xì)節(jié)特征如風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板廓線和通氣孔尺寸為8 mm；進(jìn)出口以及壁面網(wǎng)格尺寸為200 mm，有限元模型的總網(wǎng)格數(shù)約為1 922萬。

圖1 有限元模型

2 求解

2.1 邊界條件

將生成的有限元模型導(dǎo)入到計(jì)算流體力學(xué)軟件中進(jìn)行邊界條件設(shè)置，由于進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口處的壓力、流量、速度均未知，氣流運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，因此在吸塵盤進(jìn)風(fēng)口四周建立氣流擴(kuò)展區(qū)。為了避開設(shè)定出入口條件的困難，將氣流擴(kuò)展區(qū)的出入口相對(duì)靜壓力設(shè)定為零（初始流場外界壓力設(shè)置為1個(gè)大氣壓）。該小型掃路機(jī)選型風(fēng)機(jī)全壓為3.8 kPa，工況取風(fēng)機(jī)壓升為3.5 kPa，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件及設(shè)置

2.2 計(jì)算模型

本次計(jì)算采用雷諾時(shí)均湍流模型，源項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)計(jì)算采用二階中心差分格式，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解，使用SIMPLEC算法進(jìn)行數(shù)值求解。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 掃路機(jī)吸塵能力分析

掃路機(jī)吸塵能力主要決定于吸嘴處與地面間隙四周的風(fēng)速分布情況，故對(duì)間隙處風(fēng)速進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 吸嘴進(jìn)風(fēng)截面處風(fēng)速示意圖

從圖2可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)壓升到3.5 kPa時(shí)，靠近管口位置最高風(fēng)速可達(dá)37.21 m/s；吸嘴四周風(fēng)速大部分在28.94 m/s。顆粒拾取能力為評(píng)價(jià)掃路機(jī)吸塵能力最重要的指標(biāo)，該小型掃路機(jī)設(shè)計(jì)要求需能拾取直徑為15 mm，密度為2 000 kg/m3的顆粒。基于塵粒起動(dòng)理論[2,3,4]可知，直徑10 ～15 mm的顆粒懸浮速度為22.24～27.24 m/s，從圖3所示吸嘴四周風(fēng)速情況可知：在3.5 kPa時(shí)，吸嘴前端的風(fēng)速為24.81～28.94 m/s；吸嘴兩側(cè)中間風(fēng)速為20.67～24.81 m/s；靠近管口位置最高可達(dá)37.21 m/s；吸嘴四周大部分風(fēng)速為28.94 m/s。因此，在3.5 KPa時(shí)，可以穩(wěn)定吸拾粒徑為15 mm，密度為2 000 kg/m3的球形顆粒；最大可吸拾粒徑為28 mm，密度為2 000 kg/m3以下的球形顆粒，該項(xiàng)參數(shù)通過分析符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 吸嘴壓強(qiáng)云圖

3.2 掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)分析

3.2.1 壓強(qiáng)云圖分析

氣力輸送系統(tǒng)前后壓強(qiáng)差形成的壓差阻力阻礙氣體流動(dòng)，影響塵埃顆粒的輸送。通過壓強(qiáng)云圖觀察各部件截面表面，由此得知?dú)饬斔拖到y(tǒng)內(nèi)部壓力分布，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化指明方向。

風(fēng)管的云圖分析如圖4所示。因受吸嘴上方負(fù)壓區(qū)影響，與吸嘴連接處形成兩個(gè)突變較大的負(fù)壓區(qū)，故存在著速度的突變，同樣造成能量的損耗，并降低吸塵效率。因風(fēng)管變徑難度較大，可在風(fēng)管與吸嘴連接處將吸嘴部分做成倒喇叭口狀，使速度突變變得平緩，以降低能量損耗。

圖4 風(fēng)管壓強(qiáng)云圖

垃圾箱的云圖分析如圖5所示?？拷L(fēng)機(jī)區(qū)域存在著突變的負(fù)壓區(qū)，形成劇烈漩渦，有利于消耗塵粒動(dòng)能，在垃圾箱內(nèi)沉降。

圖5 垃圾箱壓強(qiáng)云圖

垃圾箱蓋的云圖分析如圖6所示。由于氣流在風(fēng)機(jī)出風(fēng)后撞擊到引風(fēng)罩，導(dǎo)致壓強(qiáng)發(fā)生突變，阻礙氣體排出箱蓋外；同時(shí)，引風(fēng)罩與箱蓋側(cè)板存在狹小空間，在此區(qū)域會(huì)形成較大的負(fù)壓區(qū)，不利于氣體排出垃圾箱。可適當(dāng)增大引風(fēng)罩與箱蓋側(cè)板間距，降低垃圾箱排風(fēng)阻力。

圖6 垃圾箱蓋壓強(qiáng)云圖

3.2.2 速度流線圖分析

通過速度流線圖觀察氣流在掃路機(jī)的流動(dòng)與分布情況，比較理想的氣流流動(dòng)特點(diǎn)是氣流緊貼截面平滑流動(dòng)而不產(chǎn)生分離。

由塵粒啟動(dòng)理論可查到對(duì)應(yīng)顆粒直徑下的懸浮速度，若要吸拾起顆粒，氣流速度應(yīng)是其懸浮速度的1.5～2倍。圖7為吸嘴截面速度流線圖。

圖7 吸嘴速度流線圖

由圖7可知，氣體在吸盤中間形成渦流，靠近邊緣的區(qū)域速度劇烈變化，造成塵粒運(yùn)動(dòng)的絮亂，帶來能量的損耗和浪費(fèi)，這是由于吸盤進(jìn)風(fēng)口狹小所致的速度聚變，但在風(fēng)管下方區(qū)域，氣流速度基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8為風(fēng)管速度流線圖。由于存在手工吸塵裝置的風(fēng)管，且手工吸塵裝置風(fēng)管直接與主風(fēng)管相連，氣流在連接處產(chǎn)生能量損耗，導(dǎo)致主風(fēng)管上層出現(xiàn)速度下降的現(xiàn)象?？煽紤]將手工吸塵裝置設(shè)計(jì)成快插形式，需要使用時(shí)便可快捷接

圖8 風(fēng)管速度流線圖

圖9為垃圾箱速度流線圖。從圖中可以看到，垃圾箱內(nèi)存在多處渦流，不利于塵粒的沉降，存在著塵粒重新被揚(yáng)起的可能。

圖9 垃圾箱速度流線圖

圖10為垃圾箱蓋速度流線圖。由圖可知，風(fēng)機(jī)后面存在著不少的氣流，并形成死區(qū)，無法排出箱蓋外。可在結(jié)構(gòu)上將該區(qū)域連接至排風(fēng)口或直接隔斷該區(qū)域，提高風(fēng)機(jī)效率。

圖10 為垃圾箱蓋速度流線圖

4 結(jié)語

通過對(duì)小型掃路機(jī)進(jìn)行流場分析，將各個(gè)截面的流場數(shù)據(jù)計(jì)算量化，指出氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)中吸嘴、風(fēng)管、垃圾箱等結(jié)構(gòu)的不合理處，為掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研發(fā)方向。該掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)和重力沉降系統(tǒng)具有更小的負(fù)壓差、能量損耗、較大的進(jìn)風(fēng)口貼地風(fēng)速和達(dá)標(biāo)的風(fēng)機(jī)出口氣體排放。