基于流場模擬的真空清掃車吸塵口的參數設計

楊春朝，章易程，歐陽智江,2，張晶，楊松枝，張睿之

（1.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410075；2.北京航空航天大學 宇航學院，北京，100191）

目前，我國地鐵垃圾主要由人工在列車停運時間內清掃，由于停運時間短，不僅存在人身安全隱患，清掃質量也難以滿足《鐵路技術管理規程》和《車站行車細則》的有關規定[1]。真空吸塵車目前僅用于公路、街道的清掃。吸塵口作為真空吸塵車的關鍵部件，對清掃質量有重要影響。國內外學者針對其設計進行了研究，如：陳忠基等[2]設計了帶有與地面平行的翼板和側擋板的吸塵口；朱伏龍等[3]根據CFD技術的仿真分析，設計了過渡連接的帶收縮角的吸塵口；施天亮[4]研究了利用導管將氣流引向地面吹起塵粒的吸塵口；曾廣銀等[5]設計了帶導流擋板的弧形吸塵口；Peel等[6?7]研究了一面進氣的卷邊純吸式吸塵口和吹吸式吸塵口；Yoo等[8]設計了有1個旋風分離室和1個集塵室的真空吸塵器；Oh[9]設計了有2個旋風分離裝置并帶有可拆卸集塵裝置的真空吸塵器。上述研究對吸塵口的設計具有重要指導意義，但均沒有對吸塵口各結構參數進行全面研究，也沒有利用氣固兩相流模型驗證吸起的顆粒粒徑。為此，本文作者通過分析吸塵口各結構參數對清掃質量和效果的影響規律，提出一種改進型吸塵口，并采用氣固兩相流模型模擬驗證其設計的合理性。

1 參數分析

1.1 結構參數

吸塵口由吸塵盒和排氣管組成，從吸塵盒前面和兩側面進氣，從排氣管排氣。其結構可用如圖1所示的參數來描述。其中：D為排氣管直徑；H1為排氣管高度；β為排氣管傾角；H2為吸塵盒高度；L為吸塵盒長度；B為吸塵盒寬度；α為吸塵口正面收縮角。吸塵口長度 L根據鐵路軌距和吸塵口的排列方式確定，而排氣管高度 H1、吸塵盒高度 H2主要由吸塵口的布置形式和車底高度決定。

圖1 吸塵口結構參數Fig.1 Structure parameters of dust collection port

1.2 前置處理

吸塵口計算網格模型如圖2所示。由于吸塵口結構不規則，利用Gambit劃分時采用非結構網格。流場計算采用進口壓強、出口壓強的邊界條件，進口壓強設為1×105Pa，出口相對壓強設為?1.8 kPa。由于k?ε方程能很好地預測氣流速度[10]，所以，將其作為湍流計算模型。

圖2 吸塵口計算網格模型Fig.2 Calculation meshed model of dust collection port

1.3 數學模型

1.3.1 流場方程

通過 CFD軟件采用相應數學模型可仿真氣流軌跡、速度、壓強等流場情況。

（1）連續性方程：

式中：ρ 為流體密度；v 為流體速度。

（2）k?ε方程：

式中：k 為湍流動能；ε 為動能耗散系數。

1.3.2 塵粒啟動速度

塵粒啟動速度是指塵粒開始滑動、翻滾并即將懸浮的最小風速。只有當風速超過這一最小風速時，塵粒才有可能發生移動[11]。Bagnold認為[12]：當塵粒啟動時，塵粒的迎面阻力和重力應平衡，據此提出了粒徑大于0.08 mm的塵粒起動的臨界速度u*t為：

式中：ρs為塵粒密度；d 為塵粒粒徑；g為重力加速度；A 為經驗系數。

根據式（5）和朱伏龍的實驗[13]，可算出如圖3所示密度為1.3 t/m3的泥塊啟動速度隨粒徑變化的曲線。

圖3 泥塊啟動速度Fig.3 Startup speed of clay

1.4 參數影響分析

由塵粒啟動理論[11,14]可知：當近地面氣流速度大于啟動速度時，塵粒才能被順利吸起，排氣管入口處真空度高才有利于塵粒從吸塵盒進入排氣管。因此，本文主要考察各參數對近地面氣流速度與排氣管入口處的真空度的影響，利用Fluent進行流場計算。分析時，分別取前進氣面、側進氣面以及內腔中部覆蓋面積最廣的近地面速度作為前進氣面速度、側進氣面速度和中部速度；取排氣管入口的平均壓強進行分析。由Fluent計算出來的速度與壓強是用一定數值范圍的矢量圖和云圖表示的，因此，分析時，取值會存在一定人為誤差，但這對于把握變化趨勢仍具有重要指導意義。

1.4.1 吸塵盒寬度

設吸塵盒長度L=480 mm，排氣管直徑D=L/4，高度H2=50 mm。通過改變寬度B與長度L之比iBL來改變吸塵盒寬度，流場結果如圖4所示。

從圖4可見：隨著寬長比iBL即寬度的增加，側進氣面速度先增大后減小，中部速度減小較明顯，前進氣面速度略有減小，排氣管入口壓強明顯增大。這是由于寬度較小時，隨著寬度增大，兩側進氣變得更加順暢，從而側進氣面速度增加；當寬度增加至長度的1/2后繼續增加時，側進氣面積的增大起主要影響作用，導致側進氣面速度下降；隨著寬度增加，內部橫截面積增加，導致中部速度下降；寬度增加導致側面進氣量增加，在寬度小于長度且吸塵功率一定時，前進氣面的進氣量略減小，導致前進氣面速度略減??；隨著寬度增加，排氣管入口通過側面越接近大氣，使得真空度變小，因此，排氣管入口壓強增大。

1.4.2 排氣管直徑

設吸塵盒長度L=480 mm，吸塵盒寬度B=5L/8，高度H2=50 mm，通過改變排氣管直徑D與吸塵盒長度 L之比 iDL來改變排氣管直徑，流場結果如圖 5所示。

圖4 寬長比iBL對速度和壓強的影響Fig.4 Effect of ratio of width to length on speed and pressure

圖5 徑長比iDL對速度與壓強的影響Fig.5 Effect of ratio of diameter to length on speed and pressure

從圖5可見：當徑長比iDL小于1:3時，隨著排氣管直徑增加，前進氣面速度、側進氣面速度和中部速度均增大，排氣管入口壓強減小；當徑長比大于 1:3時，上述變化不明顯。這是由于當徑長比小于1:3時，排氣管出口壓強為定值，管徑增大將導致出口面積增大，吸氣功率變大；同時，排氣管與吸塵盒連接處的截面積突變減小，局部損失減少，使得前進氣面速度、側進氣面速度和中部速度增大。排氣管直徑的增加使排氣管進出口兩端的沿程損失減小，因此，排氣管入口壓強變小；當徑長比大于1:3時，隨著吸塵功率增大，流速增大，從而產生更大的沿程損失，吸塵功率的增加程度與損失的程度接近相等，導致上述速度與壓強的變化不明顯。

1.4.3 排氣管傾角

設吸塵盒長度L=480 mm，吸塵盒寬度B=L/2，排氣管直徑D= L /4，高度H2=50 mm，后板傾角與排氣管傾角保持一致，排氣管傾角β取不同值，流場計算結果如圖6所示。

圖6 傾角對速度壓強的影響Fig.6 Effect of oblique angle on speed and pressure

從圖 6可見：隨著排氣管傾角的增大，以110°～120°為界，前進氣面速度、側進氣面速度和中部速度均先增大后減小，排氣管入口壓強則先減小后增大。這是由于排氣管傾角較小時，能量損失主要是由于排氣管傾角的增加使前板與排氣管夾角變小，因此，排氣管與吸塵盒的連接變得更順暢，局部損失變小，吸塵盒吸氣功率增加，從而使前進氣面速度、側進氣面速度和中部速度增大，排氣管入口壓強減小。排氣管傾角增大至 110°～120°后再變大時，吸塵盒內的進氣空間變得狹長，導致該處的局部損失增大，對地面的吸塵功率減小，因此，前進氣面速度、側進氣面速度和中部速度減??；同時，隨著排氣管傾角增大，排氣管與吸塵盒連接處截面積突變增大，使得吸塵盒內的壓強受排氣管出口處的負壓影響小，導致排氣管入口壓強增大。

2 改進型吸塵口流場分析

2.1 物理模型

根據上述分析，設計了如圖7所示的改進型吸塵口。該吸塵口各面均為流線型曲面，使氣流更順暢和更貼地面。為了驗證吸塵口優化后的吸塵效果，對其內部氣流相進行計算分析，并對固體相的運動情況進行模擬。

圖7 改進型吸塵口Fig.7 Improved dust collection port

2.2 氣流相分析

2.2.1 速度

圖8所示為吸塵口速度矢量。其中：圖8（a）和（b）中Ⅰ位置處表示的前進氣面速度以及圖 8（a）中Ⅱ處表示側進氣面速度范圍均為26.6～29.5 m/s；圖8（a）中Ⅲ位置處表示的中部速度范圍為29.5～32.4 m/s，這些速度均大于圖3所示的泥塊啟動速度，且方向都緊貼地面。此外，圖8（b）中Ⅳ位置處表示的排氣管出口氣流速度范圍為38.2～52.6 m/s，這使得泥塊、塵粒等容易進入集塵箱。

圖8 吸塵口速度Fig.8 Speed vector graph of dust collection port

2.2.2 對稱面壓強

圖9所示為吸塵口左右對稱面壓強。由圖9中Ⅰ位置處可知：排氣管入口壓強平均值為99 652.4 Pa，小于大氣壓強，能提供負壓使塵粒從吸塵盒進入排氣管。

圖9 吸塵口左右對稱面壓強Fig.9 Pressure graph on bilateral symmetry plane of dust collection port

2.2.3 流線

圖10所示為吸塵口內部流線分布。從圖10可見：流線非常平滑順暢，無渦流，因而能量損失很小。

圖10 吸塵口流線Fig.10 Flow chart of dust collection port

2.3 顆粒相分析

2.3.1 數值模型

由于研究中要考慮到塵粒的碰撞和跟蹤塵粒運動軌跡，本文采用歐拉?格朗日分散相（DPM）模型[15]。

2.3.2 顆粒相運動軌跡

直徑為 30 mm的黏土塊在吸塵口內的運動軌跡如圖11所示。從圖11可見：直徑為30 mm的黏土塊能從吸塵口吸入排氣管。

圖11 粒徑30 mm的黏土塊運動軌跡Fig.11 Trace of clay with diameter of 30 mm

3 結論

（1）吸塵盒寬度的增加對前進氣面速度影響不大，但降低了排氣管入口的真空度不利于吸塵。

（2）排氣管直徑小于吸塵盒長度的 1/3時相應增大有利于增強吸塵能力。

（3）排氣管與后板一起的傾斜角在小于 110°時增加有利于提高吸塵能力。

（4）吸塵能力強的吸塵口應具有近地面氣流速度大、方向緊貼地面，內部無渦流，排氣管入口真空度大，固體顆粒能明顯進入排氣管等特點。

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