基于FLUENT的工程清掃車沉降箱除塵仿真分析

陳 歡

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安710300）

0 引言

目前，在路面養護施工過程中，對于瀝青銑刨路面的清掃主要是通過人工清掃或加裝滾掃的滑移裝載機來完成的，采用該施工方式無法對瀝青碎料顆粒進行收集，并且會產生揚塵和污染，影響施工周圍的環境。因此，需要設計一款工程清掃車來解決銑刨坑槽內對碎料吸拾和除塵的難題，大幅度提高清掃效率并滿足環境要求[1-2]。

對于工程清掃車而言，沉降箱作為瀝青碎料顆粒物最后的收集裝置，它與吸盤通過管路相連來完成含塵氣流的輸送，同時出口與風機相連保證沉降箱內流道的通暢，因此沉降箱對整個清掃作業效率有著至關重要的影響，需要對其進行結構研究與分析。

本文通過建立工程清掃車沉降箱三維結構模型，并對整體模型進行簡化分析，運用流體仿真對箱體內流場進行分析，根據所得結果對結構進行改進和優化，使沉降箱除塵效果更加顯著。

1 沉降箱模型與參數

工程清掃車主要是包含主要包括底盤、車架平臺、箱體、動力系統、中置吸盤和前置機械臂吸嘴。其中箱體主要包含兩個部分，一部分為前置水箱，另一部分為沉降箱。

對于沉降箱而言，應該保證兩方面的設計要求。一方面是對空間結構的要求，應在滿足法律法規的前提下，通過結構尺寸的變化來延長顆粒沉降時的路徑；二是沉降箱內的含塵氣流速度應在合理范圍范圍內，防止氣流過大將塵粒帶出沉降箱外[3-4]。

結合上述對于沉降箱的要求，利用三維軟件建立箱體的結構三維模型如圖1所示。沉降箱主要由四個部分組成，分別是過濾裝置、抽風管道、斜置噴管和擋板組成，還包括整體骨架、外形板、內襯板等。其中過濾裝置主要是采用磷銅篩網對含塵氣流中的固體顆粒進行過濾，抽風管道是采用矩形管道使橫截面與風機的吸風口截面匹配，盡量減小風壓損失，斜置噴管采用斜置65°，可使垃圾在水平面運動的距離加長，從而延長垃圾的沉降距離，擋板主要是與含塵氣流發生碰撞從而改變含塵氣流的運動軌跡，使垃圾顆粒物與含塵氣流盡快分離。

圖1 工程吸掃車沉降箱內部結構圖

為了使工程清掃車沉降箱的結構設計以及沉降箱內除塵裝置的布置達到最佳的沉降效果，因此需要對沉降箱的尺寸參數進行計算[5]，其簡化結構圖如圖2所示。

圖2 沉降箱結構簡圖

（1）沉降箱長度計算

工程清掃車沉降箱寬度應小于我國專用公告中關于汽車寬度的規定為2.5 m，沉降箱寬度應盡可能增大以提高沉降效果，因此可將沉降箱的寬度取為B=2.47 m。

根據風量不變原則，沉降箱的長度：

式中：η——除塵系統的密封效率系數，η=0.9～0.95，令 η =0.9；

lL——直徑為1 mm的垃圾顆粒恰好能夠沉降時沉降箱的臨界長度，m；

Q——吸送空氣流量，Q=2.69 m3/s；

vs′——直徑為1 mm垃圾顆粒物在沉降箱內的沉降速度，m/s。

經過計算可得lL=0.17 m，為保證直徑大于1 mm的垃圾顆粒物在沉降箱內有效沉降，可以取L=3.656 m，這樣既符合了整體結構設計的實際限定，又滿足了垃圾顆粒物的有效沉降。

（2）沉降箱高度的計算

依據垃圾顆粒物沉降的臨界公式可以得到：

式中：l——沉降箱箱內有效長度，m；

hmin——沉降箱箱內最小有效高度，m；

v——沉降箱箱內含塵氣流的水平速度，m/s；

vs——垃圾顆粒在沉降箱內垂直下的平均降速度，單位 m/s。

上述公式說明，當垃圾顆粒物以水平速度運動到沉降箱末端的時候，垃圾顆粒物在豎直方向上恰好也運動到沉降箱的底部。因此在實際設計沉降箱結構時，就是要根據沉降箱的長度l使其高度H大于或者等于最小的有效高度hmin。

因此沉降箱的尺寸具體為：寬度B=2.47 m，長度L=3.656 m，高度H=1.2 m。

2 沉降箱網格劃分與仿真分析

由于沉降箱焊縫和零部件較多，對氣流有較多的干擾而不利于流場的分析，因此必須先對沉降箱進行簡化處理，所得簡化模型如圖3所示。

圖3 沉降箱物理模型簡化

將簡化模型轉換格式后導入ANSYS中利用ICEM軟件進行網格劃分，由于非結構網格比結構網格具有計算精度高和受到結構變化影響小的優勢，所以選用非結構網格進行劃分[6]，網格劃分如圖4所示。

圖4 沉降箱網格劃分圖

沉降箱網格劃分完成后，要對劃分的網格質量進行檢查，并對沉降箱流體的邊界條件進行設定。由于沉降箱進風口與吸盤的出風口相連，當選用國內某風機9-26系列7.1D型高壓離心風機時，可通過風速儀實驗測得吸盤的出風口速度為55 m/s，因而可將剛性吸管設置為進風口，進口流速為55 m/s，溫度設置常溫，與風機接觸處的通風管道設置為出風口，出口邊界設置為自由流體邊界，填充材料屬性設置為空氣air，邊界條件和材料屬性設置完以后，對仿真對象初始化，然后進行仿真處理。可得距離中心截面830 mm處的沉降箱氣流流線圖如圖5所示。

圖5 距中心截面830 mm氣流流線圖

從仿真得到的氣流流線圖可知，氣流在從斜置噴管進入箱體內部的過程中，氣流速度比較高而且損失較小，但當氣流經過擋板后氣流速度明顯減小，氣流的方向也發生改變，氣流沿著擋板的邊角較為平滑地向四周擴散，有利于垃圾顆粒物和氣流的盡快分離，有利于垃圾顆粒物重力沉降至箱體尾門處進行堆積，提高沉降箱的容積利用率。但是，氣流速度在風道入口處仍保持在5.9 m/s和7 m/s之間，大于可沉降速度5.5 m/s，不利于沉降且會增加濾網工作除塵的壓力，造成塵粒的過度堆積，影響整體的除塵效果。因此，需要對沉降箱的結構進行改進，減小風道入口處的氣流速度，提高除塵效果。

3 沉降箱結構優化與分析

改進后的沉降箱結構如圖6所示，可采用在風道進風口增設圓弧形擋板結構，使原先與擋板發生碰撞的氣流可沿著弧面末端切線方向流出，從而進行重力沉降和堆積。

圖6 增加弧形擋板后的沉降箱三維圖

對改進后的沉降箱進行網格劃分，并進行邊界條件的設定，得到的仿真結果如圖7所示。

圖7 沉降箱改進后距中心截面830 mm氣流流線圖

從圖7氣流流線圖可以看出，氣流速度較大的區域主要集中在箱體的后部，氣流經過圓弧擋板的平滑引流，可將氣流引導向箱體尾部進行沉降，從而使風道入口處的氣流速度明顯得到減小，達到結構優化對沉降箱除塵效果的提升。

4 結束語

本文通過對工程清掃車沉降箱的結構設計，確定箱體的具體尺寸并選取簡化模型進行流場分析，通過對網格的劃分和邊界條件的設定，得出具體的仿真結果分析，而后通過增設圓弧形擋板對沉降箱結構進行改進，并與原沉降箱仿真結果進行對比，使改進后的沉降箱增強了整體的除塵效果。