基于整車CFD的純電動(dòng)洗掃車風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

摘要：風(fēng)機(jī)是洗掃車的關(guān)鍵部件之一，其選型和工作轉(zhuǎn)速的設(shè)定對(duì)洗掃車的吸塵能力有著決定性的作用。運(yùn)用CFD方法對(duì)4.5 t純電動(dòng)洗掃車整車的氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過風(fēng)機(jī)不同工作轉(zhuǎn)速下的塵粒起動(dòng)速度、塵粒懸浮速度和風(fēng)機(jī)功率3個(gè)核心指標(biāo)進(jìn)行整車性能匹配，確定了強(qiáng)掃、標(biāo)掃和保潔3種工作模式的經(jīng)濟(jì)工作轉(zhuǎn)速。實(shí)車路面試掃的效果表明3種工作模式下清潔效果均達(dá)到預(yù)期。本風(fēng)機(jī)的工作速度設(shè)計(jì)方法可作為同類洗掃車的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：洗掃車CFD；風(fēng)機(jī)；氣力輸送系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U469.72 收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.013

1 前言

純電動(dòng)洗掃車以純電動(dòng)汽車二類底盤為基礎(chǔ)，加裝副車架、箱體、清掃裝置、吸塵系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、液壓系統(tǒng)等而成。氣力輸送系統(tǒng)作為洗掃車的核心系統(tǒng)，主要部件包括清掃系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、吸嘴、箱體、風(fēng)道和除塵裝置等，其工作原理是，風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，通過風(fēng)道、箱體傳遞到吸盤上，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面垃圾的吸拾作業(yè)。風(fēng)機(jī)動(dòng)力取自底盤動(dòng)力電池，其能耗約占整車能量消耗的50%，很大程度上決定了整車工作時(shí)長(zhǎng)。氣力系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型和工作轉(zhuǎn)速設(shè)定，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于洗掃車的氣力輸送系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了廣泛的研究，文獻(xiàn)[1-6]建立吸嘴局部流場(chǎng)分析模型，對(duì)吸嘴結(jié)構(gòu)樣式進(jìn)行了研究，從反吹口、傾斜角、吸塵口布置、吸盤高度、管道尺寸等方面提高吸拾性能。文獻(xiàn)[7-9]則建立整車內(nèi)流場(chǎng)分析模型，對(duì)洗掃車氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了分析，通過對(duì)箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低系統(tǒng)阻力。文獻(xiàn)[10]則建立了整車外流場(chǎng)分析模型，考慮了外界環(huán)境、車身結(jié)構(gòu)、盤刷裝置等對(duì)氣力輸送系統(tǒng)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)某4.5 t純電動(dòng)洗掃車建立整車內(nèi)流場(chǎng)分析模型，將氣力輸送系統(tǒng)分析結(jié)果應(yīng)用在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)上。通過風(fēng)機(jī)不同工作轉(zhuǎn)速下的塵粒起動(dòng)速度、塵粒懸浮速度和風(fēng)機(jī)功率三個(gè)核心指標(biāo)進(jìn)行整車性能匹配，確定了強(qiáng)掃、標(biāo)掃和保潔三種工作模式的工作轉(zhuǎn)速。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 流體仿真控制方程

洗掃車工作時(shí)，垃圾和塵粒從吸塵管道吸入箱體集塵，氣體通過排氣口排入大氣，氣力輸送系統(tǒng)的流場(chǎng)分析應(yīng)遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

a.連續(xù)性方程。

單位時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)質(zhì)量的減少等于流出該控制體的質(zhì)量，由質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而來：

式中，[ρ]為流體密度；[v]為速度矢量；t為時(shí)間。

b.動(dòng)量方程。

控制體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用于該控制體上各種力之和，由牛頓第二定律推導(dǎo)而來：

式中，方程中第一項(xiàng)為慣性力；第二項(xiàng)為體積力；第三項(xiàng)為體積力；第四、五項(xiàng)為粘性力。

c.能量方程。

控制體內(nèi)能量的增加率等于進(jìn)入控制體的凈熱量加上體積力與表面積對(duì)控制體所做的功，由能量守恒定律推導(dǎo)而來：

式中，方程第一項(xiàng)為內(nèi)能；第二項(xiàng)為動(dòng)能；第三項(xiàng)為體積力功；第四、五項(xiàng)為表面力功；第六項(xiàng)為換熱功。

2.2 塵粒運(yùn)動(dòng)與氣流速度的關(guān)系

塵粒的起動(dòng)速度是指能使塵粒開始產(chǎn)生滾動(dòng)或滑動(dòng)的最小氣流速度。塵粒的懸浮速度是指使塵粒在垂直管路中保持在一定的高度，或在一定的高度位置上成擺動(dòng)狀態(tài)的氣流速度。塵粒的起動(dòng)速度和懸浮速度是洗掃車氣力輸送系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)依據(jù)：要求吸嘴進(jìn)風(fēng)口速度不小于塵粒起動(dòng)速度以使塵粒開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)塵粒進(jìn)入吸嘴與垃圾箱之間的管路內(nèi)，要求管路內(nèi)的氣流速度應(yīng)不小于塵粒的懸浮速度以使塵粒吸入垃圾箱。根據(jù)文獻(xiàn)[11-15]的研究。

a.單個(gè)塵粒的起動(dòng)速度v1：

b.塵粒的懸浮速度v2：

式中，[μ]為塵粒與管道的摩擦因數(shù)；[CD]為總阻力系數(shù)；[CL]為升力系數(shù)；[ρC]為塵粒真密度，kg/m3；[ρ]為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；V為塵粒體積，m3；A為塵粒迎面面積，m2；d為塵粒直徑，m。

取塵粒密度[ρC]=2 650 kg/m3，根據(jù)式（4）、式（5），并參考文獻(xiàn)[11-15]的數(shù)據(jù)，不同粒徑的球形塵粒，其起動(dòng)速度和懸浮速度見表1。隨著粒徑減小，起動(dòng)速度和懸浮速度均單調(diào)減小。

3 整車流場(chǎng)分析

3.1 分析模型

整車流場(chǎng)分析的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，吸嘴底面離地高度10 mm，箱體內(nèi)流道保留，小于3 mm的臺(tái)階及小于5 mm的圓角作了簡(jiǎn)化。風(fēng)機(jī)室前方的濾網(wǎng)是由[?]1.5 mm的金屬絲編織的方格，邊距10 mm，對(duì)整車空氣流量的影響不足1%，不予考慮。風(fēng)機(jī)為9-26-5.8#離心風(fēng)機(jī)，葉輪外徑603 mm，共20片后向式長(zhǎng)短葉片間隔布置。

除進(jìn)氣口、排氣口及交界面外的表面上均創(chuàng)建邊界層。工作介質(zhì)為空氣，風(fēng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，葉尖線速度為82.09 m/s，目標(biāo)y+值200，經(jīng)計(jì)算目標(biāo)邊界層首層厚度2.032 mm，模型中首層邊界層厚度設(shè)置為2 mm，增長(zhǎng)率1.2，邊界層5層。除邊界層外，流體域劃分為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量394.4萬，網(wǎng)格經(jīng)過光順處理，質(zhì)量指標(biāo)見表2，已經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

3.2 求解設(shè)置

在工程應(yīng)用中，一般認(rèn)為馬赫數(shù)ma<0.2為低速流動(dòng)，根據(jù)葉尖線速度空氣為不可壓縮氣體，故采用壓力基穩(wěn)態(tài)求解算法。湍流模型選擇Realizable K-e，近壁面處理采用standard wall treatment方法。風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，屬于旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)問題，采用多參考系模型（MRF），湍動(dòng)能、耗散率、動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合關(guān)系采用coupled 算法，計(jì)算殘差為1×10-5。

工作介質(zhì)為空氣，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下常溫時(shí)密度ρ=1.225 kg/m3，動(dòng)力黏度μ=17.894 g/s。

邊界條件為：進(jìn)氣擴(kuò)展區(qū)設(shè)置為pressure-inlet，表總壓0Pa，湍流強(qiáng)度比5%，湍流黏度比10。排氣口設(shè)置為pressure-outlet，表壓0 Pa，湍流強(qiáng)度比5%，湍流黏度比10。系統(tǒng)參考?jí)毫?01 325 Pa，不考慮溫度的變化。

3.3 流場(chǎng)分析結(jié)果與應(yīng)用

模擬分析風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800～2 600 r/min的整車的氣力性能，計(jì)算過程監(jiān)測(cè)進(jìn)氣口、排氣口質(zhì)量流量及風(fēng)機(jī)力矩。以2 400 r/min為例，迭代3 500步后，進(jìn)氣口、排氣口流量和風(fēng)機(jī)力矩均已收斂，見圖2。整車速度流線圖見圖3，箱內(nèi)氣流有4處大的旋流。

風(fēng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的氣力屬性整理見表3，表中風(fēng)機(jī)凈功率P由轉(zhuǎn)速n和風(fēng)機(jī)力矩Me推導(dǎo)而來，[P=Men9 550]。吸管內(nèi)平均流速和靜壓的測(cè)量平面位置見圖4。

組合表1和表3，可得風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下可吸拾粒徑及對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)凈功率，見表4。根據(jù)純電動(dòng)洗掃車工作區(qū)域目標(biāo)地面的垃圾情況，綜合考慮底盤電池電量、整車工作時(shí)長(zhǎng)等因素，匹配強(qiáng)掃檔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 400 r/min、標(biāo)掃檔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 300 r/min及保潔檔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min。

4 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 吸管內(nèi)風(fēng)速、靜壓驗(yàn)證

試制樣車在靜止?fàn)顟B(tài)，調(diào)整吸嘴底面離地高度10 mm，按圖4位置在吸管中心安裝全壓測(cè)試儀（上海雷若儀表科技有限公司生產(chǎn)，RE-1211型，風(fēng)壓量程±8 kPa，精度±1.5%，風(fēng)速量程1.2-100 m/s，精度±2%）配L形皮托管測(cè)量吸管內(nèi)風(fēng)速和靜壓。在強(qiáng)掃檔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 400 r/min工作穩(wěn)定時(shí)測(cè)量，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片見圖5，測(cè)得數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)對(duì)比見表5，偏差不超過15%，數(shù)據(jù)吻合較好。

4.2 吸拾效果驗(yàn)證

吸拾效果以洗掃凈率評(píng)價(jià)，按最新的行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/STACAES 005-2021《環(huán)衛(wèi)保潔車輛洗掃車》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，垃圾試樣分布見表6，包括等效粒徑15～25 mm的卵石。圖6 為作業(yè)前水泥路面垃圾鋪設(shè)情況，作業(yè)速度7 km/h，風(fēng)機(jī)以強(qiáng)掃檔工作轉(zhuǎn)速2 400 r/min工作。圖7為作業(yè)后路面垃圾殘余情況，卵石已盡數(shù)吸走，三次試驗(yàn)的平均洗掃凈率為95%，清潔效果達(dá)到預(yù)期。

5 結(jié)語

本文通過4.5 t純電動(dòng)洗掃車整車氣力系統(tǒng)的CFD分析，獲得了不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的地面進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和吸管內(nèi)的平均風(fēng)速的理論數(shù)值，將其與塵粒起動(dòng)速度和塵粒懸浮速度對(duì)應(yīng)，用作垃圾吸拾能力的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。再根據(jù)整車匹配的風(fēng)機(jī)功率設(shè)計(jì)了洗掃車3種擋位的工作轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，整車的垃圾吸拾效果達(dá)到使用要求，CFD理論分析的吸管中心風(fēng)速、風(fēng)壓數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果偏差不超過15%，數(shù)據(jù)吻合較好。本文的風(fēng)機(jī)工作速度設(shè)計(jì)方法，對(duì)于其他類似車型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)與選型具有較強(qiáng)的參考意義。

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作者簡(jiǎn)介：

彭燕華，男，1981年生，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)汽車設(shè)計(jì)與優(yōu)化。