掃路機氣力系統(tǒng)工作效率研究1)

李 亮 劉炳瑞 張潤輝

?(浙江大學航空航天學院流體所，流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027)

?(廣東盈峰智能環(huán)衛(wèi)科技有限公司，廣東佛山 528322)

掃路機是一種具有專業(yè)底盤和動力驅動裝置，用于清掃、收集地(路) 面垃圾的機械設備，掃路機按除塵方式分為干式除塵掃路機和濕式除塵掃路機；按作業(yè)方式可分為純掃式掃路機、純吸式掃路機[1]。

干式掃路機作業(yè)原理為：垃圾在風機負壓的抽吸作用下，經過吸嘴、吸管、以及風機的破碎后進入垃圾桶，其中垃圾在垃圾桶中沉降，而帶塵空氣則經過除塵系統(tǒng)過濾后排出，若配置反吹循環(huán)氣路則部分帶塵空氣經過反吹管進入吸嘴內進行循環(huán)作業(yè)，其作業(yè)原理如圖1 所示。

濕式掃路機作業(yè)原理為：濕式掃路機作業(yè)行駛時，首先，清掃機構掃盤旋轉，將垃圾收集至吸嘴前方，垃圾在風機負壓的抽吸作用下，通過吸管抽吸到垃圾箱內(同時，吸管內噴嘴噴射水霧，對進入吸管內的含塵氣流進行噴霧抑塵，粉塵在濕潤氣流中團聚、粘連，然后沉降到垃圾箱中)，垃圾由吸管到垃圾箱的過程中，垃圾箱內流場速度急劇降低，垃圾沉降到垃圾箱內，完成清掃作業(yè)，氣流通過風機排出到大氣。

由于掃路機主要應用于背街小巷、街巷胡同、社區(qū)、公園景區(qū)等居民生活附近的區(qū)域，所以對其節(jié)能環(huán)保要求較高，如能耗、噪音等。目前，掃路機存在的主要問題，一是作業(yè)能耗高，考慮到排放要求，掃路機采用純電動驅動，由于現有氣力系統(tǒng)能耗過高，導致整機續(xù)航作業(yè)時間短，難以滿足日常作業(yè)需求；二是氣力除塵系統(tǒng)效率低；干式除塵為了保證良好的降塵效果，采用濾筒或濾布過濾除塵，作業(yè)時間久了除塵效果變差。

以上掃路機的兩個問題可以通過科學設置吸入口與地面距離、吸入速度等進行解決，從而在能耗一定情況下提高垃圾吸收效率。針對以上情況，本文主要研究純吸式干式掃路機的氣力輸送，擬建立物理模型，采用計算流體力學與離散單元方法對圓柱狀顆粒在風機負壓的作用下的運動進行數值模擬，分別分析吸入圓管入口離地面距離、顆粒密度、顆粒長徑比、進口速度與吸入顆粒數目的關系，以期在一定功率下最大化實現顆粒的吸入。

1 數值計算

本工作采用計算流體力學與離散單元方法對流場及其顆粒的運動進行模擬。該方法是一種典型的歐拉-拉格朗日方法，它采用連續(xù)介質理論描述流體，并單獨追蹤每一個顆粒的運動狀態(tài)。同時，該方法還考慮了顆粒與流體之間的相互作用，該方法被廣泛應用于流化床、氣力輸送等具有大量顆粒的兩相流系統(tǒng)模擬中[2-4]。

1.1 流體相控制方程

流體相控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程，以下方程包含了顆粒在空間中占據的體積效應及兩相間的動量交換作用[5-6]

式中εg，ρg，ug，p，τg分別為流體的孔隙率、密度、速度、壓力和應力項，Sp為顆粒與流體之間的動量交換項。方程采用有限體積法求解。

1.2 顆粒相控制方程

柱狀顆粒采用多球模型[7]描述，即由若干個在同一軸線上相互重疊的子球共同組成一個類柱狀顆粒，在柱顆粒運動過程中，子球之間保持剛性連接，而柱顆粒之間的碰撞可以通過子球之間的赫茲碰撞定律[8]的軟球模型[9]求解。

單個柱狀顆粒在求解過程中被視為整體，其運動方程為[10]

式中，mi，vi，Ii，ωi分別為第i個顆粒的質量、速度、慣量張量及角速度，Fi和Mi則為其受到的外力及外力矩，體現了重力、氣動力(轉矩)、碰撞力(力矩) 等作用。

1.3 計算設置

如圖1 所示，構建簡化物理模型，模擬三維圓柱形顆粒在圓管中的運動。設置管徑為30 cm，高度為150 cm?？紤]到掃路機的真實工作情況，模擬流體為密度1.2 kg/m3的空氣，選取模擬的顆粒密度分別取800 kg/m3和1500 kg/m3，圓柱顆粒高度為2 cm，直徑為5 mm；顆粒數目為200；進口與地面的距離為l，初始設置為4 cm。

圖1 計算域及顆粒初始分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of computational domain and initial particle distribution

2 模擬結果與討論

2.1 圓管入口離地面距離l 對吸入顆粒數目N 的影響

吸式掃地機吸入口距離地面有一定距離，吸入口距離影響吸入顆粒效率。在本部分中選取4 個吸入口距離(l=0.02 m，0.04 m，0.06 m，0.08 m)，保持其他物理量不變(管徑Φ=0.3 m，高度h=1.5 cm。吸入速度Vin=8 m/s，流體密度ρf=1.2 kg/m3，顆粒密度ρp=800 kg/m3，1500 kg/m3，圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp= 5 mm；顆粒數目Nt= 200)，研究圓管入口離地面距離對吸入顆粒數目N的影響。

結果如圖2 所示，對于吸入口距離l為0.02 m時，不同吸入速度下顆粒的吸入效率相近，吸入速度的不同對顆粒的吸入效率影響較小；當吸入口距離增大后，吸入效率降低，尤其對于大密度顆粒，吸入效率降低幅度增大。

圖2 不同吸入口距離下顆粒的吸入效率Fig.2 Suction efficiency of particles at different distances between the suction inlet and the floor

2.2 顆粒密度ρp 對吸入顆粒數目N 的影響

吸式掃路機在實際工作中，需要對不同密度的垃圾進行清理，因此對不同密度顆粒進行了數值模擬，研究在一定吸入速度下不同密度顆粒的吸入效率。選取5 種顆粒密度(ρp=600 kg/m3, 800 kg/m3,1000 kg/m3, 1200 kg/m3, 1500 kg/m3)，進口吸入速度分別取Vin= 8 m/s 和10 m/s，保持其他物理量不變(管徑Φ= 30 cm，高度h= 150 cm。流體密度ρf= 1.2 kg/m3, 圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp= 5 mm；顆粒數目Nt= 200)，研究顆粒密度對吸入顆粒數目N的影響。結果如圖3 所示，對于高吸入速度(10 m/s) 下，不同密度的顆粒吸入效率較為接近，吸入效率變化不大；而對于在低吸入速度(8 m/s) 下，隨著密度增大，吸入效率顯著降低。

圖3 不同吸入顆粒密度下顆粒的吸入效率Fig.3 Suction efficiency of particles at different particle densities

2.3 進口速度Vin 對吸入顆粒數目N 的影響

掃路機氣力輸送系統(tǒng)的吸入效率直接取決于氣流的吸入速度。如果吸入速度太小，則系統(tǒng)無法順利地將路面垃圾吸入，清掃效果較差。如果吸入速度太大，則對掃路機的性能要求較高，功耗提高，同時吸入垃圾的高速運動也會加劇氣力輸送系統(tǒng)部件的磨損。因此，確定合適的吸入速度，在吸入效率與能耗功率保持平衡顯得尤為重要。以下對不同吸入速度進行數值模擬，研究在相同物理量下不同吸入速度的吸入效率。選取5 種吸入速度(Vin=6 m/s，8 m/s，10 m/s，12 m/s 和14 m/s)，顆粒密度分別取ρp=800 kg/m3, 1500 kg/m3，保持其他物理量不變(管徑Φ=30 cm，高度h=150 cm。流體密度ρf= 1.2 kg/m3, 圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp=5 mm；顆粒數目Nt=200)，研究吸入速度對吸入顆粒數目N的影響。

結果如圖4 所示，對于小密度顆粒，當吸入速度高于8 m/s 時，不同吸入速度間吸入效率增長較??；然而對于大密度顆粒，不同吸入速度下顆粒的吸入效率差別較大，吸入速度對于吸入效率影響較大。

圖4 不同吸入速度下顆粒的吸入效率Fig.4 Suction efficiency of particles at different suction velocities

2.4 顆粒長徑比λ 對吸入顆粒數目N 的影響

為進一步模擬不同形狀垃圾的吸入效率，對不同長徑比顆粒在一定吸入速度下的吸入效率進行研究。選取5 種長徑比顆粒(λ=4，6，8，10，15)，顆粒密度分別取ρp=800 kg/m3，1500 kg/m3，保持其他物理量不變(管徑Φ=30 cm，高度h=150 cm。流體密度ρf=1.2 kg/m3，圓柱顆粒體積保持不變，直徑Φp= 5 mm；顆粒數目Nt= 200)，研究顆粒長徑比對吸入顆粒數目N的影響。結果如圖5 所示，相比于密度對于吸入效率的影響，顆粒長徑比對于吸入效率的影響較小，由圖可見，顆粒長徑比對于吸入效率的影響較小。

圖5 不同長徑比的顆粒的吸入效率Fig.5 Suction efficiency of particles at different aspect ratios

2.5 顆粒所處地面范圍r 對吸入顆粒數目N 的影響

對處于地面不同半徑范圍內顆粒的吸入效率進行研究，半徑取0.05 m，0.1 m，0.15 m，0.2 m，顆粒密度取ρp=800 kg/m3，1500 kg/m3，保持其他物理量不變(管徑Φ=30 cm，高度h=150 cm。流體密度ρf= 1.2 kg/m3，圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp=5 mm；顆粒數目Nt=200)。結果如圖6 所示，當顆粒所處的半徑r小于吸入管徑R時，隨著半徑r的增大，吸入效率逐漸增大；當所處半徑r大于吸入管徑R時，吸入效率減小。由圖7 可見，在鄰近吸入口中心軸線的地面，流場速度較小，因此靠近中心軸線的區(qū)域顆粒的吸入效率較小，而越鄰近吸入管道半徑的位置，流場速度較大，因此相應位置的顆粒吸入效率較高。

圖6 不同半徑圓周上顆粒的吸入效率Fig.6 Suction efficiency of particles on circumference with different radii

圖7 流場速度云圖Fig.7 Velocity contour of the flow

3 結論

本文主要探究純吸式干式掃路機氣力輸送系統(tǒng)的吸塵效率。應用計算流體力學--離散單元法對流場及其流場中的圓柱狀顆粒進行數值模擬，分別研究顆粒密度、顆粒長徑比、氣體吸入速度以及顆粒初始位置對于顆粒吸入效率的影響。結果表明：吸入口與顆粒所處平面的距離越大，顆粒的吸入效率越低，尤其是對于高密度顆粒影響更大。顆粒密度對吸入效率的影響為負相關，即顆粒密度越大，吸入效率越低，此時可以通過增大吸入速度進行吸入效率的提高。顆粒長徑比對吸入效率的影響較小。吸入速度與顆粒的吸入效率為正相關，吸入速度越大，吸入效率則越大。對于小密度顆粒，應做好吸入效率與經濟性的平衡，即吸入速度對于吸入效率的影響是邊際遞減，當吸入速度增大至一定值時，顆粒的吸入效率變化很小。同時，顆粒所處位置也會影響顆粒吸入效率，結果表明，顆粒所處位置距離吸入口圓周距離越小，顆粒的吸入效率越高。