吸塵車吸嘴的結構參數(shù)優(yōu)化設計研究

黃耀武

摘 要：吸嘴是吸塵車的核心部件，其結構參數(shù)對吸嘴的吸塵性能具有重要影響，如何優(yōu)化吸嘴的結構參數(shù)是眾多企業(yè)亟待解決的問題，本文以空氣匯流、起塵動力學以及封閉氣幕為理論基礎，通過對結構參數(shù)進行分析，以吸嘴壓力損失最小為目標，對其結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，結果表明，優(yōu)化后具有條縫狀氣幕噴口的吸嘴對灰塵顆粒有更好的吸塵效果，達到優(yōu)化設計的目標。

關鍵詞：吸塵車 吸嘴 優(yōu)化設計

Research on the Optimal Design of the Structure Parameters of the Suction Nozzle of the Vacuum Truck

Huang Yaowu

Abstract：The suction nozzle is the core component of the vacuum vehicle， and its structural parameters have an important impact on the suction performance of the suction nozzle. How to optimize the structural parameters of the suction nozzle is an urgent problem for many companies to solve. This article uses air confluence and dust emission dynamics， and the closed air curtain is the theoretical basis. Through the analysis of structural parameters， with the goal of minimizing the pressure loss of the suction nozzle， the structural parameters are optimized， which has a better dust collection effect and achieves the goal of optimized design.

Key words：vacuum cleaner， suction nozzle， optimized design

1 引言

吸塵車在工作過程中，風機將箱體內的空氣抽出，從而形成負壓，然后利用吸嘴將含塵空氣吸入到除塵系統(tǒng)中，吸嘴作為吸塵系統(tǒng)和外界連接的關鍵部件，其結構參數(shù)的好壞對吸塵性能具有重要影響，本文通過對吸嘴的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計，構建優(yōu)化后吸嘴的模型，并利用ANSYS中的Fluent模塊對其進行仿真分析，基于此方法對優(yōu)化其他不同工作要求的吸嘴具有重大指導意義。

2 塵粒受力分析

2.1 吸嘴內部力學分析

吸嘴在工作過程中，內部的氣流速度很大，層流被破壞，流場中伴有很多小滋渦，相鄰層流不但有滑動，還有混合，因此形成湍流，在湍流的影響下，作用于塵粒上的載荷主要有以下四種，即：迎風阻力、沖擊力、上升力以及塵粒自身重力。

（1）迎風阻力

塵粒進入吸嘴內部，會和氣流產(chǎn)生摩擦，其摩擦力作用于塵粒的表面，因塵粒具有不同的幾何形狀，當摩擦力作用于塵粒頂部時，氣流流線發(fā)生分離，并在塵粒的背面形成渦流，這就使得塵粒的背風面和迎風面形成一定的壓差，稱之為壓差阻力，如果塵粒的幾何形狀接近于球體，那么該阻力作用的方向通過塵粒的重心，迎風阻力的公式為：

式中：

ρ—空氣密度;

ur—塵粒和氣流的相對速度;

d—塵粒直徑;

CD—阻力系數(shù);

（2）沖擊力

塵粒之間相互碰撞引起的作用力，在一定時間間隔內的作用力沖量等于質點動量的變化，即：

式中：

S—沖量;

t—力作用的時間;

m—塵粒質量;

u1、u2—塵粒碰撞前后速度;

（3）上升力

塵粒的上升力主要是由氣流速度的改變和塵粒自身的旋轉引起的，在氣流作用下單個塵粒的上升力為：

式中：

V—塵粒旋轉速度;

ur—塵粒和氣流的相對速度;

d—塵粒直徑;

ρ—空氣密度;

（4）各作用力影響對比

通過試驗數(shù)據(jù)表明，塵粒所受的載荷類型中，沖擊力最大，大約是塵粒重力的幾十倍，其次是迎風阻力，其大小和塵粒自身的重力相等，最小的是上升力，只有塵粒自身重力的幾十分之一。

2.2 塵粒起跳機理

當塵粒在風力的作用下，部分塵力所受的風速將達到臨界值，此時，塵粒在湍流的影響下產(chǎn)生振動，塵粒達到臨界風速開始運動時，塵粒的迎風阻力和重力相等，因此可推導出粒徑和塵粒起跳臨界速度的關系式：

式中：

Q—臨界起跳速度;

ρp—塵粒密度;

ρ—氣流密度;

K—經(jīng)驗系數(shù);

其中，塵粒起跳臨界速度可通過查表獲得，如表1所示。

3 封閉氣幕計算分析

3.1 構建氣幕數(shù)學模型及軌跡方程

吸塵口處的壓力和外界大氣壓具有一定的壓差，故而形成氣幕射流，因吸嘴的氣幕噴口寬度是一致的，且噴口噴出的氣幕速度基本相等，因此可以把條縫狀噴口的氣幕射流簡化成二維射流，由此，可以把吸嘴氣幕射流的數(shù)學模型等效為二維氣幕射流的流體力學方程，如圖1所示。

本文以氣幕軸心線與地面相交作為吸嘴完全封閉的標志，吸嘴氣幕噴口為條縫型，設寬度為2b，則氣幕射流軸心彎曲軌跡方程為：

式中：

v0—氣幕射流速度;

a0—噴射角度;

b0—吸嘴反吹噴口寬度的一半;

w—橫向氣流速度;

由此可知在噴射角度a0一定的情況下，可確定氣幕射流軸心彎曲軌跡方程A。

3.2 吸嘴吸塵口氣流的流動規(guī)律

當箱體內的空氣逐漸被抽出時，吸嘴吸塵口將形成負壓區(qū)，從而時吸嘴內部的壓力和大氣壓存在一定的壓差，在此壓差作用下，負壓區(qū)的塵粒被吸入吸嘴，并形成吸入氣流，吸塵口處氣流速度分布具有以下兩個特點：

（1）對于吸塵口的等速面，越遠離吸塵口，等速面逐漸變成橢球面;

（2）當吸塵口的形狀一定時，其等速面形狀基本固定，與風速的大小無關，吸塵口的形狀不同，其氣流衰減規(guī)律也不一樣。

4 吸嘴的結構優(yōu)化

4.1 吸嘴主要參數(shù)

吸嘴的關鍵結構參數(shù)主要包括：收縮角α、傾斜角β、吸嘴長度L、寬度B、內腔高度H以及吸塵口面積S，結構示意圖如圖2所示。

4.2 建立吸嘴優(yōu)化方程及模型

優(yōu)化后的吸嘴，氣流在腔內的分布應盡可能均勻，此外，吸嘴在作業(yè)過程中的能量損失應盡可能小，本文以收縮角α、傾斜角β為設計變量，以吸嘴吸塵部分的局部壓力損失最小為目標，從而對吸嘴的結構參數(shù)進行優(yōu)化取值，吸嘴吸塵部分的局部壓力損失可用如下公司進行近似計算：

式中：

K1—漸縮區(qū)域局部壓力損失系數(shù);

n—吸嘴收縮度;

a—吸嘴收縮角;

式中：

K2—直管段壓力損失系數(shù);

β—直管傾斜角;

則吸嘴部分總的局部壓力損失為：

構建目標函數(shù)min（△P），擇優(yōu)確定吸嘴的主要參數(shù)，優(yōu)化后的收縮角α=117°、傾斜角β=60、吸嘴長度L=0.14m、寬度B=0.4m、內腔高度H=0.025m以及吸塵口面積S=0.12m2。在此基礎上，建立吸嘴的參數(shù)化模型，如圖3所示。

4.3 吸嘴內部氣流仿真對比

吸塵車的吸嘴在結構布局上為左右對稱形式，為了提高仿真效率，本文只取對稱結構中的一半，分別對優(yōu)化前以及優(yōu)化后的吸嘴進行仿真分析，圖4（a）、（b）為優(yōu)化前及優(yōu)化后吸嘴在縱向的氣流速度矢量分布圖。

從圖中可以看出，優(yōu)化后吸嘴主要以射流的形式，將吸嘴腔內的空氣從條縫狀噴口中噴出，形成條縫狀射流氣幕，并將塵粒罩住，能夠有效促進罩內的塵粒進去吸嘴腔。相比優(yōu)化前的吸嘴，其控制范圍得到有效增加。

圖5（a）、（b）分別為優(yōu)化前及優(yōu)化后吸嘴在橫向的氣流速度矢量分布圖。

從圖中可以看出，優(yōu)化前的吸嘴從前端進氣面進入吸嘴內部的氣流速度是逐漸降低的，這說明優(yōu)化前的吸嘴在抑塵效果方面并不是很理想，大部分氣流直接從吸塵口排出，反觀優(yōu)化后的吸嘴，氣流主要分布在吸嘴的中下部，離吸塵口越近，氣流速度值越大，有很好的抑塵效果。

5 結論

本文分析了吸嘴結構的主要參數(shù)對吸塵車吸嘴吸塵性能的影響，以吸嘴內腔局部壓力損失最小為目標，對結構參數(shù)進行了優(yōu)化設計，并進行了相應的數(shù)值模擬和性能分析，結果表明，優(yōu)化后具有條縫狀氣幕噴口的吸嘴，其對地面上的灰塵顆粒有更好的吸塵效果，并且吸塵的距離更遠，范圍更大，優(yōu)化效果明顯，達到了優(yōu)化設計的目的。

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