基于清洗車的低壓水路管道特性分析

中圖分類號：U469 收稿日期：2025-03-20 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.018

Abstract：Thelow-pressrewaterwaycleaningfunctionisthemainfunctionofthecleaningvehicle.Thepipecharacteristicsisone oftheimportantfactorsectingtheeficiencyoftelow-presurewateraycleaningfunctionTispapertakesacertainOtpureelec triccleaningvicleasteresearchject，analyzstepipechracteristisofteow-presureaterwayuckbillfunctionandfinds theactualworkingpointthatmeets teduckbillwokingconditionrequirements.AndbyusingtheCFaalysismethod，thesistance curveoftheduckbillpipeissimulatedandanalyzed.Troughthecombinationoftheoreticalanalysisandactualworkingconditiosthe simulatinanalysis methodisfurtherverified.Theresultsshowthroughtheanalysisofpipecharacteristics，theappropriateworking speed can be set to achieve energy-saving indicators.

Key words：Characteristics oflow pressure waterway pipelines;Performance indicators;Simulationanalysis

1前言

清洗車低壓水路系統(tǒng)主要由低壓水泵、管道、氣動截止閥、各類噴嘴等組成[1]。整車總布置時，對低壓水路的噴嘴一般按照其功能要求來布置基本固定的安裝位置，如鴨嘴因為要用大流量水沖洗路面，將垃圾和臟水趕至路面和下水道，所以一般布置在車輛駕駛室前部，方便駕駛員查看工作狀態(tài)；灑水嘴因為要對完整路面進行灑水降塵，不能有遮擋，一般布置在車輛后部；水炮因環(huán)衛(wèi)工手動操作，一般放置在整車后部工作臺處[2-4]。

在水泵型號及噴嘴布置位置基本確定的情況下，要滿足清洗車沖洗寬度這一重要的性能參數(shù)，管道的布置和水泵實際工作點的獲取就尤為重要[5-6]。匹配合適的管道通徑及走管方向，能減少整個管路的能量損失，水泵實際工作點的獲取能在較低轉速下獲得目標沖洗寬度值，從而更節(jié)能。研究表明，管路性能曲線不變的情況下，降低水泵轉速比用節(jié)流閥減少流量，軸功率更低，從而更節(jié)能[7-8]

本文研究的主要內(nèi)容就是通過獲取清洗車的低壓水路鴨嘴功能管道特性，確定滿足技術參數(shù)目標時最優(yōu)轉速，以實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水目的。

以某12t純電動清洗車為例展開研究，項目指標要求鴨嘴清洗寬度達到 10m ，并且在滿足此性能要求下，雙鴨嘴模式功率小于 15kW 。

2理論分析

2.1管路布局

管路布局最重要的是要最大程度降低因管路布置造成的能量損失，減少管道阻力[9-10]。整個管路的能量損失等于各管段的沿程損失和各局部損失的總和，沿程壓力損失和局部壓力損失計算公式如下。

沿程壓力損失計算公式：

式中， h_f 為沿程壓力損失， m;λ 為沿程阻力系數(shù)； L 為管道長度， m;d 為管道半徑， m;V₁ 為管內(nèi)液體平均流速， m/s;g 為重力加速度， 9.8m/s² 。

局部壓力損失計算公式：

式中， h_i 為局部壓力損失， m;ξ 為局部阻力系數(shù)； V₂ 為局

部液體流速， m/s 。

管道流速計算公式：

式中， V₀ 為管道流速， m/s;Q 為水泵輸出的實際流量，L/min;A 為噴頭出口處的面積， m² 。

由式（1）式（2）式（3）可以看出，管道 L 越短，沿程壓力損失越小，管道內(nèi)徑 d 越大，沿程壓力損失越??；流速越快，局部壓力損失越大，截面越小，局部壓力損失越大，所以管道布局時管道長度不宜過長、管道內(nèi)徑盡量大，避免急轉彎及管道中間急變徑。根據(jù)這一原則進行管道布局，參數(shù)如表1所示。

2.2鴨嘴功能需求流量計算

2.2.1計算噴嘴出口初速度 V₀

如圖1所示，正常工作情況下，水流從噴嘴流出，水流方向應該是 _ABC ，因 B 點沖擊速度不好得出，因此將噴嘴調(diào)節(jié)成與地面平行狀態(tài)進行計算，即出口水流切線方向與水流方向的夾角 θ=0^° ，噴射長度 L₄=6.499m 。

沖洗寬度的計算公式：

將 θ=0^° 代入式（4），可計算出噴嘴出口初速度 V₀

2.2.2噴嘴流量計算

噴嘴流量 Q₁ 的計算公式為：

Q_?1=1000×60AV_?0

根據(jù)式（6）可計算出單個噴嘴流量 Q₁ ，雙噴嘴流量可近似按照兩倍的關系處理，故此時可計算出鴨嘴實際工作點流量 Q=2Q₁ 。

2.3鴨嘴功能實際需求揚程

2.3.1計算管道流速

管道流速公式：

A₁=πr²

上式中分別代人主管道和分支管道的半徑參數(shù)，即可計算得主管道流速V和分支管道流速V分。

2.3.2計算雷諾數(shù)

雷諾數(shù)計算公式：

20^° 時水的運動黏度 u=1.006×10^-6m²/s ，同時代人主管道和分管道的直徑參數(shù)，可計算得主管道雷諾數(shù) Re_Φ± =173296 ，分支管道雷諾數(shù) 。

由此可看出雷諾數(shù)大于2000，故水管中水流為紊流，符合實際工況。

2.3.3計算沿程阻力系數(shù)

因為雷諾數(shù) Relt;10⁵ ，可用布拉修斯公式計算沿程阻力系數(shù)：

通過計算，主管道沿程阻力系數(shù) λ_±=0.0155 ，分支沿程阻力系數(shù) λΩ_λ5=0.0173 。

2.3.4計算沿程壓力損失

根據(jù)沿程阻力系數(shù)，根據(jù)式（1）可計算得主管道沿 程壓力損失 和分支管道沿程壓力損失 ，從而可 得沿程壓力損失Σh=hf+2hf分

2.3.5計算局部壓力損失

根據(jù)式（2），局部阻力系數(shù) ξ 取1.1，可計算得主管道局部壓力損失 h_i± 和分支管局部壓力損失 h_iΨ_N ，從而

可得局部壓力損失Σhi=hi注+2hi分°

2.3.6計算噴嘴進口水壓頭

噴嘴進出水壓頭 的計算公式：

根據(jù)式（5）中 V₀ 的計算結果，代入上式可計算出噴嘴進出水壓頭H水壓頭°

2.3.7計算需求揚程

揚程的計算公式：

結合噴嘴安裝位置與泵軸線的高度差 h_c ，計算需求揚程值。

2.4繪制管道特性曲線

通過2.3部分計算過程，改變流量這一變量參數(shù)，可以繪制出鴨嘴管道特性曲線，如圖2中綠色線條所示。結合水泵的流量-揚程曲線，如圖2中藍色線條所示。兩條曲線相交的A點為鴨嘴沖洗實際工作點。通過A點可讀出此時水泵的流量、揚程、效率及軸功率等參數(shù)。

3仿真分析

以CFD分析手段，計算嘴管道阻力曲線，本文采用simplic耦合算法。仿真鴨嘴在進口流量范圍為 0～ 39.6m³/h 時對應管道阻力曲線，流場出口采用壓力出口，出口通大氣，相關參數(shù)設置見表2。

按照該 12t 純電動清洗車管道布局建模，VOF雙相流，主相為空氣，次相為水，管道布局如圖3所示。模型采用多邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求，收斂計算所有殘差下降5個數(shù)量級收斂，結果如圖4所示。流場體速度流線圖和流場速度矢量圖分別如圖5、圖6所示。

仿真分析后的流量-阻力曲線如圖7所示，其中橫坐標為流量，縱坐標為揚程1（水泵轉速為 3900r/min ）、效率、軸功率和對沖管阻。

根據(jù)圖7可知，理論計算與流體分析管道特性阻力曲線基本一致，由此證明理論計算與仿真分析可行，為進一步驗證，后續(xù)將在實車上測算數(shù)據(jù)。

4實車驗證

實車參數(shù)表見表3，鴨嘴進口壓力圖見圖8。

仿真分析結果與實際測量結果的對比見表4，可以看出兩者結果準確率為 96.51% ，證明仿真分析方法有效，而上文已分析理論計算結果與仿真分析一致，所以可以進一步用理論方法分析節(jié)能效果。

水泵電機組性能降速曲線如圖9所示，其中額定工況點為A點轉速 3900r/min 降至 B 點 3000r/min ，其中揚程1和揚程2對應的水泵轉速分別為 3900r/min 和 3000r/min ，相關參數(shù)對比如表5所示。

從表5可以看出，在滿足使用工況的前提下，降低轉速，流量降低 25% ，軸功率降低 34% ，可達到節(jié)水節(jié)能的目的。

實車效果：在轉速 3000r/min 的時候，前鴨嘴沖洗寬度 15m ，功率 7.5kW ，符合目標設計參數(shù)。

5結語

本文通過分析某 12t 純電動清洗車的低壓水路鴨嘴功能管道特性，找到滿足鴨嘴工況要求的實際工作點，并以CFD分析手段可得出以下結論：

a.管道布局合理、管徑參數(shù)合適，沿程阻力及局部阻力小。

b.通過理論分析管道特性及CAE分析管道阻力來優(yōu)化管道布局，能計算出既有管道各功能模塊實際工作點，設定合理的轉速參數(shù)，平衡各功能需求與水流覆蓋范圍，確保清潔質(zhì)量的同時減少功率輸出及用水量，滿足節(jié)能需求。

c.可以用仿真試驗指導低壓水路設計計算，VOF雙向流對噴嘴類零部件的仿真適用度較高。

通過局部研究環(huán)衛(wèi)車低壓水路管道特性，不僅能實現(xiàn)單車的節(jié)能降耗，還可以推動行業(yè)向精細化、綠色化轉型，逐漸從“高能耗粗放模式\"向“精細化綠色研究\"邁進。下一步研究可與智能化系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)多維度應用及提升。

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作者簡介：

胡堅華，女，1987年生，工程師，研究方向為清洗清掃類環(huán)衛(wèi)車水路系統(tǒng)。