吸塵車CFD仿真分析

白云龍

BAI Yun-long

吸塵車CFD仿真分析

白云龍

BAI Yun-long

福建龍馬環衛裝備股份有限公司 福建龍巖 364028

通過計算流體力學軟件Fluent對吸塵車吸塵系統進行了流場分析，選砂石作為主要塵粒樣本進行分析，將吸塵車改進前后的各性能進行了對比，并指出吸塵車未來的優化方向。

吸塵車 流場分析 CFD仿真

1 前言

目前國內掃路車主要有以下幾種：純掃式掃路車、吸掃結合式掃路車及純吸式真空吸塵車[1]。現階段吸掃結合式掃路車占據了大部分的市場份額，但是吸塵車正以其特有的低揚塵、節水等優點，市場份額逐漸增加，在一些干燥缺水地區，以及霧霾嚴重的地區表現出了更好的適應性和優越性。因此，相比傳統的掃路車，吸塵車將有更好的發展空間和市場前景，針對吸塵車吸塵系統的研究和探索既具有重要的科研價值，又具有一定的社會效應和經濟效益。

2 塵粒運動與氣流速度的關系

氣流速度較小時，塵粒只在原地震動或擺動，當氣流速度逐漸增大達到某一臨界值時，部分塵粒克服摩擦力的作用，開始脫離原地并在地面上滾動或滑移。塵粒在滾動過程中與地面凸起或其他塵粒等發生撞擊，獲得了很大的沖量，該沖量使塵粒的運動速度和運動方向都發生改變，從沿地面滾動變為被迅速彈射至空中。塵粒被彈射至空中后會在起升力和迎風阻力的作用下繼續向前向上跳起，進入氣流開始運動。塵粒在氣流作用下，由靜止狀態到起跳的過程如圖1所示。

圖1 塵粒由靜止狀態到起跳的過程示意圖

2.1 塵粒的起動速度

塵粒的起動速度是指能使塵粒開始產生滾動或滑動的最小氣流速度，只有氣流速度超過塵粒的起動速度，塵粒才能開始運動[2,3,4]。 Iversen,J.D..、Kawamura R..通過研究[5,6,7]，得到了清掃對象起動的最小風速公式。

單個塵粒起動速度為：

式中，U為單個塵粒的起動速度，m/s；μ為塵粒與管道的摩擦系數；CD為總阻力系數；CL為升力系數；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。

塵粒的起動速度是吸嘴設計時重要的速度指標，垃圾顆粒能否順利起動將直接影響掃路車的吸塵效果。由公式(1)計算可得，密度為2 650 kg/m3，直徑為φ30的石子，其起動速度為28.35 m/s。

2.2 塵粒的懸浮速度

塵粒在垂直管路中，受到向上流動的氣流作用保持在一定的高度不動，或在一定的高度位置上成擺動狀態，此時的氣流速度即為塵粒的懸浮速度。塵粒的懸浮速度是設計掃路車吸塵系統的一個重要依據。當塵粒被吸嘴吸入后，進入吸嘴與垃圾箱之間的垂直管路內，該段管路內的氣體流速必須大于塵粒的懸浮速度才能保證塵粒能夠被吸進垃圾箱。文獻[8]研究了懸浮速度公式。

單個塵粒的懸浮速度為:

式中，V0為單個塵粒的懸浮速度，m/s；d為塵粒直徑，m。

計算可得，密度為2 650 kg/m3，直徑為φ30的石子，其懸浮速度為44 m/s。

3 流場仿真分析

由于原吸塵車吸塵系統的風機出口容易造成地面揚塵，箱體壓力損失較大，吸塵能力還不夠理想，因此，針對上述問題，筆者對吸塵車吸塵系統作出如下改進。

a. 風機出風口由底部出風改為頂部出風；

b. 箱體處濾筒由左右分列，改為前置；

c. 吸嘴結構優化。

3.1 數學模型

根據連續性方程有：

式中，ρ為流體密度；V為速度矢量。根據動量守恒有：

式中，t為時間；p'為校正壓力；μeff為有效粘性系數。

根據標準k-ε雙方程有：

式中，k為湍流動能；ε為損耗率；μ為層流的粘度系數；μT為湍流的粘度系數；p為靜壓力；σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特數；C1、C2為常數。

3.2 模型概況

風機轉速設定為2 700 r/min，如圖2所示沿順時針方向旋轉。

圖2 吸塵車模型圖

劃分網格如表1所示，定義邊界條件。以四面體網格為主，共有107萬網格單元，數量較大。

表1 網格劃分

3.3 定解條件設置

如圖3，選用基于壓力基的穩態求解器，考慮重力加速度，湍流模型選用標準k-ε模型。

圖3 標準k-ε模型

風機旋轉模型選用MRF模型，如圖4所示，設置轉速為2 700 r/min。

濾筒采用多孔介質模型，設置相應參數，設置合適的殘差，其余默認設置。

圖4 風機旋轉MRF模型

3.4 運算及后處理

開始迭代求解，殘差下降得很快，并且很快就穩定了，說明前面的前處理和設置比較合理，運算殘差如圖5所示。

3.4.1 吸塵車改進前后對比

3.4.1.1 風機性能

如圖6所示，風機改進前全壓差約為8 850 Pa，流量約為12 910 m3/h；改進后全壓差約為9 089 Pa，流量約為14 516.5 m3/h。

改進前葉輪扭矩為244.7 Nm，改進后葉輪扭矩為261 Nm，如圖7所示。

圖7 風機改進前后葉輪扭矩對比

改進前軸功率約為69.2 kW，風機效率約45.9%；改進后軸功率約為73.8 kW，風機效率約為49.7%。兩種風機結構大致相同，效率都很低，如圖8所示，都是在風機葉輪末梢有較大規模的低速漩渦，能量損失較大，導致風機效率低下。

圖8 改進前后風機流速對比

3.4.1.2 箱體壓降

從風機入口到吸筒處壓降，改進前約為2 555 Pa（其中濾筒壓降約625 Pa），約占風機入口31%；改進后約為1 649 Pa（其中濾筒壓降約為424 Pa），約占風機入口19.3%，如圖9所示。改進后箱體壓降減少。

圖9 改進前后從風機入口到吸筒處壓降對比

如圖10，從湍流強度超過500的區域可以看出，改進前大湍流區較多，并且最大湍流值也更大。

圖10 改進前后湍流強度對比

3.4.1.3 吸嘴分析

如圖11，改進前主吸筒平均流速約為59.72 m/s，邊吸筒平均流速約為57.81 m/s；改進后主吸筒平均流速約為68.51 m/s，邊吸筒平均流速約為58.26 m/s。改進前后平均流速均大于密度為2 650 kg/m3，直徑為φ30的砂石所需懸浮速度44 m/s。

圖11 改進前后吸筒平均流速對比

如圖12，主吸流速大于28.5 m/s（大于密度2 650 kg/m，直徑φ30的砂石所需起動速度28.35 m/s）的氣流分布。

3

圖12 改進前后主吸流速大于28.5 m/s的氣流分布

邊吸流速大于28.5 m/s的氣流分布如圖13所示。

由上面幾組對比圖可以看出，改進后吸嘴流速分布更均勻，尤其邊吸流速大于28.5 m/s的氣流，底部和吸筒能夠很好地銜接。另外邊吸前后氣流匯集后形成的渦流，揚起的氣流正好在吸筒下方，可以順利進入吸筒，有利于揚塵后被吸收；雖然改進前邊吸流速大于28.5 m/s的氣流分布也很廣，但氣流較混亂。兩種車型主吸底部氣流大于28.5 m/s的都較少，改進后會好些，因為主吸嘴清掃覆蓋面較大，整體空腔較大，氣流進入主吸嘴后流速下降較多。

圖13 改進前后邊吸流速大于28.5 m/s的氣流分布

3.4.1.4 DPM顆粒模擬

模擬密度為2 650 kg/m3，直徑分別為φ10、φ20、φ30的砂石進入吸嘴的情況如圖14所示。砂石均以0.1 kg/s的質量流量，從吸嘴前部進入吸嘴，捕捉進入吸嘴的顆粒數量作為入口數，再捕捉進入垃圾箱的顆粒數量作為出口數，出口數與入口數之比，作為顆粒吸收率參考。改進前后顆粒模擬數據如表2、3所示。

圖14 DPM顆粒模擬顆粒軌跡

從DPM顆粒模擬結果看，改進后吸塵車的吸凈率明顯優于改進前吸塵車，總體吸凈率高約69%。

表2 改進前顆粒模擬

表3 改進后顆粒模擬

4 結語

通過吸塵車改進前后CFD仿真分析對比可知，改進后吸塵車在風機軸功率僅比改進前高約6.65%的情況下，吸凈率高出約69%，并且箱體壓降率更少，吸嘴氣流分布更合理。所以改進后吸塵車吸塵系統性能優于改進前，但是風機效率、吸嘴氣流分布等還有改進的空間。

[1] 李鋼,樊守彬,鐘連紅等.北京交通揚塵污染控制研究[J].城市管理與科技,2006.6(4):151-152.

[2] Nickling WG. The initiation of particle movement by wind [J]. Sedimentology,1998,35(3):499-511.

[3] R. A. Bagnold. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes.Methuen.1941:101-105.

[4] R. S. Anderson,P. K. Haff. Wind Modification and Bed Response during Saltation of Sandin Air. Acta Mechanica. 1991,suppl.1:21-51.

[5] Iversen,J.D..Aeolian processes in the environmental wind tunnel and in the atmosphere[J].Physics of desertification,1986:318-321.

[6] Iversen,J.D..Saltation threshold mechanics[J].Physics of desertification,1986:344-360.

[7] Kawamura R..Study on sand movement by wind[J].Report,Institute SCI.&Tech.Univ.Tokyo,1951,5:95-112.

[8]劉娟,賈磊.基于SIMULINK的物料懸浮速度仿真研究[J].仿真技術,2007,23(1):267-269.

Simulation Analysis of Vacuum Sweeper by CFD

In this paper, the flow field analysis is carried out by the computational fluid dynamics software Fluent. The gravel is analyzed as the main dust particles, and the vacuum sweeper before and after improvement were compared, and points out the optimization direction of next step.

vacuum sweeper; flow analysis; CFD simulation

U469.6+91.02

：A

：1004-0226(2017)04-0082-05

白云龍，男，1982年生，工程師，主要從事車輛節能減排及智能控制方面的研究。

2017-02-17