清掃車風道系統減阻流動控制方法研究

白云龍1 張愷悅1 李廣瑞2 趙力明2

1. 上海交通大學 上海 200240 2. 柴油機增壓技術重點實驗室 天津 300000

1 前言

隨著我國城市化進程的加快，全國公路總里程數快速上升。相應地，人民生活對環衛車輛的需求量也急劇上升，以清掃車為代表的環衛車輛將會進行日益繁重的城市道路美化養護工作[1-2]。風道系統是清掃車的核心作業系統，其主要功能是通過安裝在清掃車內部的離心風機對風道系統內的空氣進行抽吸，使風道系統內部形成負壓，在入口吸嘴處產生強大的吸力，進而吸入公路上的灰塵顆粒雜物。降低風道系統的氣動阻力可以有效降低風機耗功，因而對于環衛車輛節能減排有著重大意義。

清掃車整機氣道有諸多部件，包括吸盤、輸送管道、沉降室、風機進氣導管與風機等等。降低風阻可以從各個部件的優化設計著手。劉濱等對風道拐角彎折處的半徑進行改變，降低了氣路管道的總壓降損失[3]。張杜鵑等通過在沉降室頂部加置擋板對氣固混合物進行降速，減少壓力損失以及垃圾對過濾網的沖擊[4]。然而該方法是一種被動減阻和降低磨損的方法。另一方面，吸盤入口前通常有一塊軟擋板，用于將部分氣固混合物阻隔在外，使固體顆粒物處于滯止狀態，顆粒物原有起跳速度較大，不利于被吸收清理[5]，使清掃車工作的實際效率大大降低。楊春朝等通過數值分析研究了風道進氣盒寬度以及氣管與后板的傾斜角度對清掃車吸塵能力的影響[6]。朱伏龍等對吸盤入口連接方式以及令吸盤上平面帶收縮角使清掃車吸塵能力增加[7]。現有的工作僅對擋板的開度、傾斜角度以及連接方式進行優化，對擋板本身的幾何優化研究較少。

本文針對清掃車入口擋板與氣道幾何分別提出一種幾何優化的方案，以提高清掃車的實際工作能力并降低整車的壓降損失，最后通過數值分析的方法對上述優化方案進行驗證。

2 數值仿真方法

本文的研究對象為某型清掃車，該清掃車車廂尺寸為3 850 mm×2 470 mm×1 650 mm；離地間隙為10 mm；進氣管直徑為180 mm；進氣管間距為450 mm；進氣管長度為2 262 mm，其主要幾何數據如表1所示。清掃車系統真實模型截面如圖1所示。

表1 清掃車幾何參數

本文的研究使用三維流動仿真軟件ANSYS CFX，對車廂主體以及氣道管路部分采用Mesh進行非結構化網格劃分，對清掃車離心風機的葉輪部分采用Turbogrid進行結構化網格劃分，離心風機蝸殼以及進出口部分采用非結構化網格劃分。離心風機的網格節點數為200萬，其中葉輪達到160萬；清掃車主體部分網格節點數為100萬。清掃車主體網格與離心風機的網格如圖2所示，在清掃車進氣道前加入帶有凹槽的圓盤來更好地模擬氣流從四周進入氣道的情況，整機計算域如圖3所示。

圖3 整機計算域

本文的數值分析采用穩態雷諾平均N-S方程，湍流模型采用SST模型，計算殘差收斂給定小于10-4，入口邊界條件給定總溫總壓，分別為大氣壓力與300K常溫，出口邊界條件為質量流量，工質采用理想氣體。

3 減阻流動控制方法

本文在原機模型的基礎上加以改進，如圖4所示。在保留大部分原型的基礎上，對進氣管出口段進行優化,將進氣管與沉降室的連接段由原有的直管改為漸擴喇叭管。從風道入口至管路的最高點距吸盤的垂直距離為2 622.84 mm，從距離吸盤2 263 mm的高度開始將進氣管加工成漸擴段并保留原有的斜切外形，切至高度為2 253mm，漸擴角度為前后兩個方向各開6°。該結構能使氣流進入沉降室的速度顯著降低，不僅能降低整機的壓降，還能減緩氣固混合物對車頂以及導流板的沖擊作用，有效降低沉降室磨損量。

圖4 漸擴式進氣管幾何

吸盤入口的軟擋板用于擋住公路上尺寸較大的雜物進入風道系統，同時擋板使流動入口處的有效流通面積變小，在吸盤內腔內造成高速氣流流動，進而實現吸塵作用。擋板離地間隙是吸盤最為關鍵的幾何參數。間隙過小則造成極大的節流損失，而間隙過大則導致氣流速度不夠，吸塵能力不足。為了同時保證吸塵能力和較低的流動阻力，本研究在風道入口處呈具有設計槽孔陣列的渦發生結構，如圖5所示。在視圖AA方向可以看到渦發生結構的具體位置及尺寸。槽孔距離擋板邊緣的距離是48 mm，槽孔自身為邊長為32 mm的正方形孔，槽孔貫穿擋板厚度，相鄰槽孔之間的距離為32 mm，本文的設計共有11個等間距的槽孔。一方面，該結構可以有效增加軟擋板的等效離地間隙，減少節流損失；另一方面，該結構能在吸盤內產生局部渦，使附著在入口擋板處的固體顆粒物產生擾動，降低起跳速度，更容易被吸收清理。

圖5 清掃車渦發生結構

4 結果分析

圖6是質量流量3.5 kg/s工況下，原機與帶渦發生結構幾何的入口擋板處的速度圖。從圖中可見，帶有渦發生結構的幾何在吸嘴入口處產生了局部渦，流體的流動在槽孔處卷繞進入吸嘴；而原機模型的吸嘴入口沒有渦，流體只是進行一些無序的運動。此外，流體在渦發生結構槽孔的位置速度明顯增大，可達到平均85 m/s；原機幾何在入口處的速度明顯低于帶渦發生結構幾何。帶渦發生結構幾何在吸嘴入口的流動情況明顯優于原機幾何，有利于固體顆粒物的吸收與清理。

圖7是清掃車風道入口處截面的熵增圖，加入渦發生結構之后，其附近的區域雖然產生了許多小渦，但是熵增卻顯著降低了，由原機的25 J/(kg·k)降低到15 J/(kg·k)以下，該結構不僅降低了固體顆粒物的起跳速度，還降低了入口局部的損失。

圖6 質量流量3.5 kg/s工況下清掃車入口速度圖

圖7 風道入口的熵增圖

原機與帶渦發生結構幾何的風道系統（從清掃車入口至風機入口）的壓降損失，如圖8所示。使用渦發生結構幾何之后，整個清掃車流道的平均壓損明顯降低。在小流量工況下，渦發生結構進出口壓損比原機平均降低500 Pa，下降16.7%；在大流量工況下，渦發生結構進出口壓損平均比原機降低3 000 Pa，下降33.3%。可見，流量越大，帶渦發生結構幾何的進出口壓損降低越多，這種優化幾何在大流量工況下的優勢更加明顯。

圖9對比了原機與漸擴管在風道出口處至導流板前緣的速度分布。在此區域原機幾何的平均速度達到60 m/s以上，而優化幾何的平均速度低于40 m/s。優化幾何的平均速度較原機幾何下降了33.3%，顯著降低了由于氣流沖擊沉降室底部造成的損失以及氣固混合物對導流板的沖擊。

圖8 原機與渦發生結構幾何的進出口壓降

圖9 兩種幾何的風道管路出口風速分布

圖10為兩種幾何在風道出口處至導流板的流線圖。在原機幾何的導流板處，流線產生了一個明顯的渦，而優化后的幾何流體的流線是光滑順暢的。由此可見，漸擴管降低出口氣流速度，進而使得流體沿導流板的流動更順暢，有利于使固體顆粒物減少雜亂無章的運動，順利沉降至廂底，并有效降低流動損失。

圖11對比了原機與帶漸擴管幾何在清掃車進出口的壓降曲線圖。使用漸擴喇叭管之后，整個清掃車流道的壓損明顯降低。小流量工況下，漸擴管進出口壓損平均降低100 Pa，比原機下降5%；在大流量工況下，漸擴管進出口壓損平均降低1 000 Pa，比原機下降11%。流量越大漸擴喇叭管的損失降低越大，因此這種優化幾何在大流量工況下的優勢更加明顯。

圖10 風道出口流線圖

圖11 原機與漸擴管幾何的進出口壓降圖

圖12顯示了以上兩種流動控制方法在降低風道系統流動損失方面的綜合效果。可以看出，采用擋板渦發生結構和漸擴管的風道系統在損失方面的優勢隨流量增加快速擴大。特別是在最大流量工況，該綜合方案將減小流動損失近31%。

圖12 原機與改進幾何的進出口壓降圖

5 結語

本文針對常用清掃車風道系統的損失規律與機理進行了深入分析，并提出了風道系統降阻流動控制方法，得到以下主要結論：

a. 吸嘴處的節流損失是清掃車風道系統損失的主要原因之一；通過在吸盤入口擋板處設計槽孔陣列構成渦發生結構，該結構一方面由于增加了等效離地間隙可顯著降低節流損失，另一方面產生強非定常渦，從而降低吸嘴內固體顆粒的起跳速度，使垃圾顆粒更容易被吸收清理。結果顯示，該結構最大可降低風道系統流動損失33%；

b. 通過將沉降室內的輸送管道由原機直筒圓柱形出口改為漸擴型喇叭管構型，可有效降低管道出口氣流速度，進而降低風道系統流阻，并有效抑制氣流對沉降室頂部的沖擊，從而減緩垃圾顆粒對沉降室壁面的磨損作用。