基于FlowSimulation的家庭清掃機器人吸塵裝置流場分析

歐陽華兵 張伯浩 / 上海電機學院機械學院

基于FlowSimulation的家庭清掃機器人吸塵裝置流場分析

歐陽華兵 張伯浩 / 上海電機學院機械學院

本文利用FlowSimulation軟件對家庭清掃機器人吸塵裝置性能進行了數值模擬研究。研究結果表明，采用數值模擬技術不僅可為吸塵裝置設計提供理論依據，還可最大限度地降低產品開發成本、縮短設計周期。

清掃機器人；吸塵裝置；流場分析

一、概述

隨著生活質量的不斷提高，人民對簡化生活并能節省勞動力的家庭清掃裝置需求越來越旺盛[1]。家庭清掃機器人吸塵裝置的性能直接影響到其工作效率。故對吸塵裝置進行研究就顯得尤為重要，它不僅可改進并提高吸塵效率，還可進一步為吸塵裝置結構的改進和優化提供相應的理論指導。

由于清掃機器人內部空間結構復雜且流體力學的分析過程復雜，為了模擬清掃機器人內部的風道并獲取吸塵口風壓風速等重要信息，本文借助FlowSimulation軟件，對家庭清掃機器人吸塵裝置的流場進行分析。

二、吸塵裝置的前處理與求解

為了保證吸塵裝置求解的有效性，必須先進行前處理操作[2-4]，具體求解步驟如下：

1.模型與材料的設置。由于本文研究的流體流動屬于湍流，研究對象為灰塵與空氣的混合物，故設置為k-ξ湍流模型，材料選擇空氣。

2.邊界條件設置

（1）吸塵口邊界條件

吸塵裝置在工作時，吸塵口的壓力、流量和速度等都是未知。在物理模型的構建時將吸塵口向外部空間延伸，可假設遠離吸塵口的區域不受影響。故將吸塵口風道入口初始約束條件為環境壓力即一個標準大氣壓。

（2）出風口邊界條件

吸塵裝置的出口和離心風機相連，如果假設出口壓力，須先預知風機所需風壓。根據預選離心風機的額定風量62.49CFM，即，即為吸塵器出口風立的體積流量值。

3.目標區域選擇與目標量設置。模型分析過程中，仿真程序通過對目標值的逼近，計算出流場。當目標值逼近預先設定值時，仿真分析結束。如目標區域或目標量設置不合理，可能會導致迭代次數增加，降低流場計算效率。本次仿真將目標區域選擇吸塵口所在平面，設置目標值為流體的平均密度、平均風速和最大靜壓值。

4.網格劃分。Flowsimulation求解時將計算區域劃分為不重復的控制體積，使每個網格點周圍有一個控制體積，即為“網格”，構建待解流體動力學微分方程并對每個控制體積積分，獲得出一組離散方程。

為使模擬更接近實際，吸塵裝置的網格劃分要保證流經入口處表面附近的流體網格比流經其它流體網格更加細密。

5.算法與離散方法的確定。本文所研究的吸塵裝置在工作時屬于定常狀態，故選擇半隱式連接壓力方程方法SIMPLE，離散方法選擇有限體積法。

6.流場計算與分析。設置完成后，就可采用FlowSimulation軟件對吸塵裝置區域進行計算，等待計算收斂后查看分析結果，如圖表1所示為仿真計算所得的目標量值，其中平均密度、平均速度、最大靜壓力分別為1.04Kg/m^3、153.745m/s和98304.08Pa。

三、吸塵裝置的數值模擬結果與分析

1、吸塵裝置內部風道的流體運動軌跡

為了反映空氣從吸塵口進入集塵盒內部運動方式，分析出垃圾或粉塵在進入集塵盒時的軌跡是否合理，需計算吸塵裝置內部風道流場，如圖1為流體運動軌跡圖，顏色由紅到綠表示壓力由大到小。

圖1 流體運動軌跡

為了分析與建模計算方便，在離心風機與集塵盒間沒有考慮過濾網帶來的阻力。由于濾網所帶來的阻力與風速有關。在未濾網時，吸塵口達到了9300Pa。若考慮濾網的阻力損耗，吸塵口的靜壓應該約為計算結果的一半。目前，市面上的產品的吸塵壓力一般在800Pa到1000Pa內，而我們的吸塵壓力卻能高達3000Pa，但為了保證其強大的吸塵能力，也犧牲了集塵盒的容量、噪音和續航能力等。

2、吸塵裝置內部風道的流體速度圖

通過風道流體的速度圖，可分析出空氣在整個吸塵過程中的運動情況，如圖2為流體運動風速圖。

綜上可知：吸塵裝置的吸塵口面積小，其風速較高，吸塵口壓力較大。隨著集塵盒內部空間體積的增大，流體風速減少，致使集塵盒內部壓力較小，垃圾進入集塵盒后速度下降沉積于集塵盒內部起到收集垃圾的作用。部分灰塵在集塵盒底部回流后再進入離心風機，這常會造成集塵盒內部細小灰塵運動形成渦流，避免灰塵逃出集塵盒而造成二次污染。

3、吸塵裝置剖面的壓力分布

通過FlowSimulation軟件分析了吸塵裝置的剖面壓力分布，如圖3所示。由圖3可知，左側吸塵口處的壓力在整個吸塵系統中所占的壓力最大，而右側離心風機風口處雖然風速快而損失小，但由于空間較大而造成其壓力較小，故風口處結構強度不需要太高就能滿足需要。

圖3 吸塵裝置剖面靜壓力分布

4、吸塵裝置工作過程及吸塵能力驗證

以家庭中約為10mm左右顆粒為例，對吸塵裝置將稍微大些的顆粒狀垃圾吸入過程進行描述，如圖5所示的顆粒運動軌跡。

圖4 顆粒運動軌跡模擬

從圖4可知，顆粒剛被吸入時由靜止開始加速到相對較大的速度，對吸塵口具有較大的沖擊力。當顆粒進入集塵盒內部時，伴隨著風速的減小，顆粒速度也隨之減小，顆粒在撞擊到集塵盒的滑蓋后消耗了大部分動能，依靠自身重力及慣性落入集塵盒的底部。故在設計吸塵口入口處及集塵盒滑蓋時，應綜合考慮其結構并選擇合適的材料，避免發生沖擊力過大而損壞的現象。

四、結論

為了保證流程分析結果更加有效可靠，其關鍵在于選擇合適的湍流模型和劃分高質量的計算網格。采用FlowSimulation軟件對吸塵裝置吸塵能力進行流場模擬方法是切實可行的，它不僅可縮短產品的設計周期，而且能為吸塵裝置結構的改進和優化提供理論依據。

[1]楊春朝,章易程,歐陽智江等.基于流場模擬的真空清掃車吸塵口的參數設計[J].中南大學學報(自然科學版),2012,43(9):385-390.

[2]韓魯冰,董繼先.基于Solidworks-Flowsimulation軟件的盤磨機磨盤建模與流場分析[J].中國造紙,2016,35(12):37-42.

[3]謝菲, 吳占松.文丘里管內氣固兩相流動的數值模擬和實驗[J].動力工程學報,2007,27(2):237-24.

[4]蘇乃權,蔡業彬,李石棟等.充液閥氣液兩相流的流場仿真分析[J].機床與液壓,2017,45(8):78-81.

上海市教育委員會科研創新項目資助(14YZ158)；上海高校青年教師培養資助計劃項目資助（ZZSDJ12008）；上海電機學院重點培育項目（12C110）；上海電機學院重點教研教改項目（A1-0224-17-009-04）;上海高校教師產學研踐習計劃(2013)；上海電機學院科研啟動經費項目資助（13C415）;上海電機學院登峰學科建設項目（16DFXK01）.

歐陽華兵（1980-），男，上海電機學院機械學院，博士，副教授，主要研究方向：數字化設計與制造。