整車環境下洗掃車氣力輸送系統流場特性研究

王永照1 王鼎2 張倩文2 牛強3

1. 甘肅省建筑機械工程實驗室有限公司 甘肅蘭州 730050

2. 武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 湖北武漢 430070

3. 甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730000

1 前言

城市道路洗掃車是集路面垃圾收集、清掃和運輸為一體的新型高效道路清掃設備，多是在專用車底盤上改裝而成[1]。氣力輸送系統是城市道路洗掃車的主要功能部件，其結構設計技術水平的高低直接影響洗掃車的工作性能，進而影響城市道路洗掃車的發展和創新。

對于城市道路洗掃車的氣力輸送系統，國內外學者開展了較為廣泛的研究，如美國的ELGIN公司設計的雙管道循環式氣路系統，利用反吹口和吸管將從集塵箱過

濾后的氣體反吹回吸嘴下部，提高了空氣的利用率和清掃車的清掃效果[2]；陳忠基等通過對吸嘴加裝翼板與側板，改善了吸嘴處的氣流分布[3]；歐陽智江分析了吸塵口前后擋板的寬窄、擋板的卷邊結構及前擋板的結構形狀對吸塵口吸塵性能的影響，設計出了一種前寬后窄、帶卷邊且前擋板為曲面的吸塵口[4]；臺冰豐等研究了帶氣流擴展區的吸塵口在不同傾斜角下進氣口處的氣流流場分布和各個進氣面進氣量情況，得到最佳的吸嘴傾斜角和吸塵口布局，改善了吸塵口的流場特性[5]；云現杰等分析了吸塵盤肩部夾角、吸塵盤高度、吸管的形狀等結構參數對吸塵盤內流場特性的影響，并對吸塵盤結構參數進行優化改進，使吸塵盤的工作性能得到了較大的改善[6]。

目前，對于氣力輸送系統的流場特性的研究均是采用在吸嘴四周建立氣流擴展區的方法，并沒有考慮整車環境因素對氣力輸送系統流場產生的影響。在上述研究的基礎上，本文擬對整車環境下清掃車氣力輸送系統進行流場仿真，考慮外界環境、車身結構、盤刷裝置的旋轉運動等因素對清掃車氣力輸送系統流場分布的影響，并對吸嘴結構進行了改進設計與分析。

2 洗掃車整車結構與工作原理

洗掃車以汽車二類底盤為基礎，加裝副車架、副發動機、水箱、清掃作業裝置、吸塵系統、集塵系統、風機、液壓系統、高壓水路系統、低壓水路系統、電控系統、傳感裝置等設計而成。本文所研究的洗掃車氣力輸送系統為開放式氣力輸送系統，工作原理如圖1所示。洗掃車工作時，高壓離心風機的高速運轉使集塵罐體和吸腔內形成一定的負壓和高速氣流，在吸腔與外界的氣壓差和高速氣流作用下，垃圾和塵粒被氣流攜帶并通過氣力輸送系統的吸塵管道進入集塵罐體中。利用重力除塵的方法，在集塵罐體中完成垃圾和塵粒與氣體的分離，氣體經過濾裝置過濾后排放到大氣中。

3 洗掃車氣力輸送系統流場仿真

3.1 流體仿真控制方程

洗掃車工作時，垃圾和塵粒從吸塵管道進入集塵罐體，氣體則通過風機出風口排放到大氣中，氣力輸送系統的流場仿真時應遵循連續性方程和動量方程：

a.連續性方程

式中，ρ為流體密度，kg/m3；V為流體速度矢量，m/s。b.動量方程

式中，P為控制體上所受的壓力，Pa； τx、 τy、 τz為因分子之間粘性作用產生的作用于控制體表面上的粘性應力τ的分量，Pa； Fx、 Fy、 Fz為控制體所受外力分量，N。

考慮到吸嘴進氣時，清掃車盤刷的旋轉運動會使得吸嘴進氣口處的氣流形成漩渦及產生一定程度的輕微旋轉，整車運動時車身結構、底盤結構會對空氣流動產生影響，進行整車環境下清掃車氣力輸送系統的流場仿真時采用對復雜剪切流動適應性好且適用于汽車外流場數值模擬的realizable k-ε湍流模型。湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程可用來描述realizable k-ε 湍流模型。湍流動能k和湍流耗散率ε的輸運方程分別為：

式中，ui為平均速度分量；xi、 xj為坐標變量；ρ為流體密度；E為時均應變率；ut為湍動粘度；v為運動粘度；Gk為平均速度梯度引起的湍動動能

3.2 洗掃車幾何模型

3.2.1 整車幾何模型

整車三維模型的長、寬、高根據清掃車的實際尺寸利用CATIA軟件進行1:1建模。如圖2所示，整車的長×寬×高分別為9 110 mm×2 470 mm×2 970 mm，坐標原點符合汽車設計標準。其主要組成部分為底盤、副車架、前后水箱、副發動機罩、清掃作業裝置（盤刷）、完整的氣力輸送系統（吸嘴、吸塵管道、集塵罐體、風道、風機），其整車參數如表1。在考慮計算資源的基礎上，對洗掃車整車的幾何模型進行了適當的簡化。如將前后水箱、副發動機罩等表面作了平滑處理，忽略清掃車的后視鏡、門把手等特征。

圖2 整車三維模型

表1 洗掃車整車參數

3.2.2 吸嘴模型

綜合考慮清掃車底盤下部空間布局、整車寬度、吸嘴離地間隙、吸塵效果等因素的影響，按照實際模型建立的1:1吸嘴三維模型如圖3所示。

3.2.3 塵管道及集塵罐體模型

吸塵管道和集塵罐體的三維幾何模型如圖4所示。吸塵管道分為三段：第一段與吸嘴的吸管相連，呈垂直于水平方向布置，長度為900 mm；第二段為彎管，作為第一段和第三段的過渡連接部分，其半徑為300 mm；第三段延伸到集塵罐體內部，將吸嘴吸入的垃圾塵粒和氣流引入集塵罐體中，其長度為1 450 mm。集塵罐體總長度為3 040 mm，罐體的直徑為1 662 mm，罐體尾門的直徑為1 600 mm。

圖3 吸嘴三維模型

圖4 吸塵管道和集塵罐體三維模型

3.2.4 風機模型

風機是吸掃式清掃車的重要工作部分，吸嘴處負壓和高速氣流都來源于風機的高速旋轉。本車所用風機為某公司的YZ926-7.4#C高壓離心風機，葉輪為后向式，共有16片葉片，風機的額定轉速為2 350 r/min。風機的實物模型、三維幾何模型如圖5所示。風機的建模包括風道、蝸殼、葉輪。風機工作時，風機轉子處產生高速旋轉，屬于旋轉流場問題。在處理旋轉流場問題時，運用多參考坐標系模型（MRF）高效而有用。運用MRF方法可以將風機轉子部分的瞬態問題轉化為穩態問題進行求解，求解時旋轉域的網格保持靜止。

圖5 風機三維模型

3.2.5 盤刷模型

對盤刷機構進行簡化處理，將掃盤和刷毛部分處理為圓臺形，如圖6所示。

圖6 盤刷機構簡化模型

4 外流場仿真

4.1 計算域構建及網格劃分

車輛長度為L，計算域長度為8L（入口距洗掃車前臉為2L，計算域出口距洗掃車尾端為5L），計算域的寬度為所研究車型的7倍寬（左右各3倍寬），高度為4倍車高。計算域示意圖如圖7所示。

圖7 計算域示意圖

利用ICEM CFD對計算模型進行網格劃分。將風機轉子、左右掃盤和刷毛設置為旋轉域，車身表面面網格示意圖如圖8所示。

圖8 整車面網格示意圖

4.2 邊界條件設置

根據所建模型，邊界條件的設置如下。

a.入口邊界條件：速度入口，來流速度大小v=7 km/h，方向為x軸負方向；

b.出口邊界條件：壓力出口，大小為一個標準大氣壓，即靜壓值為0 ；

c.壁面邊界條件：地面及洗掃車車身表面設置為固定壁面；

d.對稱面邊界條件：外流場計算域的左右兩個側面及頂面設置為對稱面邊界；

e.旋轉域邊界條件：根據所建三維幾何模型，得到風機旋轉域的旋轉中心為（-3.8，0，0.033），旋轉軸方向為y軸正方向，轉速為2 350 r/min；左盤刷旋轉域的旋轉（-2.94，1.05，0），轉速為115r/min，旋轉軸方向為z軸負方向；右盤刷旋轉域的旋轉中心為（-2.94，-1.05，0），轉速為115 r/min，旋轉軸方向為z軸正方向。

4.3 仿真結果分析

整車環境下洗掃車氣力輸送系統的流場仿真結果如圖9所示，外流場氣流速度接近2 m/s。從縱向對稱面速度分布云圖可知洗掃車風機的出風口處的速度最大，在此處，風機出風口將集塵罐體中與塵粒分離后的氣流排放到外流場中。

圖9 縱向對稱面速度分布云圖

圖10所示為洗掃車底部速度場分布。由于受到變速器、傳動軸等部件的阻礙作用，底部氣流速度整體偏低，氣流速度大小在1 m/s以下。當氣流流過變速器、傳動軸以后，速度又逐漸增加到2 m/s左右。

圖11、12所示為吸嘴內部壓力場分布。洗掃車工作時在吸腔和吸管內形成一定的負壓，負壓按照一定梯度進行變化，其中最大負壓出現在吸嘴腔體和吸管的過渡連接處。這是因為當氣流從橫截面積較大的吸嘴腔體進入吸管時，橫截面積突然減小，氣流速度急劇上升，氣流流速越快則氣壓越小，所以在此過渡區產生極大的負壓。吸嘴兩吸管之間的區域和吸嘴左右兩側肩部區域的負壓比吸管正下方負壓要小，這是因為吸管正下方氣流的流速相比于這兩個區域流速更快，所以此處負壓更大。整個吸腔內部壓力分布比較均勻，由于結構的突變，吸嘴腔體和吸管過渡處壓力梯度變化較明顯，造成一定的壓力損失。由圖12可知，吸嘴前進氣面處負壓最小，此處是外流場中空氣進入吸嘴的主要入口，往吸管方向向上負壓逐漸變大，吸嘴前、后進氣面和吸腔內的壓力差為垃圾和塵粒進入吸嘴腔體并通過吸塵管道運送到集塵罐體中創造了有利的條件。

圖10 清掃車底部速度分布云圖

圖11 吸嘴腔中心橫截面靜壓分布云圖

圖13、14所示為吸腔和吸管內部速度流場分布。由圖13可知，吸腔內部大部分區域的氣流速度分布在(22～30)m/s，基本滿足路面塵粒的起動要求。氣流速度在吸腔和吸管的過渡連接處達到最大值55.42 m/s。但是，吸腔內整體的速度場分布不夠理想，在吸嘴左右兩側肩部及中間肩部附近存在一定的低速氣流區及速度梯度變化較大的區域，速度梯度變化較大的區域會造成能量損失，影響吸嘴的吸塵性能。圖14中，氣流從吸嘴前后進氣口進入吸腔沿著吸塵管道向上運動時，由于氣流流過的截面面積突然變小，速度急劇上升，有利于垃圾和塵粒的向上運輸。但氣流從吸嘴的前進氣面進入吸腔后在水平方向持續的時間很短，導致前后進氣面的進氣量不均勻，影響吸嘴的吸塵性能。

圖12 吸管中心縱截面靜壓分布云圖

圖13 吸腔中心橫截面速度分布云圖

圖14 吸管中心縱截面速度矢量圖

圖15為吸嘴近地面氣流速度分布云圖，由圖15可知，在離兩吸管較近的區域氣流速度偏高，氣流速度范圍為(28～40)m/s。離兩吸管較遠的區域氣流速度偏低，氣流速度范圍為(20～24)m/s。由此可知，吸嘴內的氣流能使路面常見塵粒順利起動，但是整體上氣流速度分布不夠均勻，所以需要進一步改善清掃車氣力輸送系統的流場分布。

圖15 吸嘴離地10 mm進氣面氣流速度分布云圖

5 清掃車氣力輸送系統改進及流場仿真

5.1 吸腔高度對氣力輸送系統流場的影響

吸腔高度對改善洗掃車氣力輸送系統的流場分布非常關鍵。在保持洗掃車行駛車速7 km/h、盤刷轉速115 r/min、風機轉速2 350 r/min、吸嘴的離地間隙10 mm、吸嘴吸管的直徑、吸嘴總長L=2200 mm、總寬B=100 mm、總高H=300 mm不變的條件下，研究不同吸腔高度下吸腔中心橫截面處的流場分布如圖16所示。

隨著吸腔高度的降低，吸腔內氣流速度分布越來越均勻，吸腔內各處氣流速度都有一定的提高，且氣流進入吸管時的最大速度從55.2 m/s增加到57.1 m/s，速度提高比較明顯，遠遠大于常見塵粒的懸浮速度，能使塵粒順利通過吸塵管道進入集塵罐體中。從圖中還可以得知，當吸腔高度從200 mm下降至170 mm時，吸嘴左右肩部及中間肩部附近的低速氣流區及速度梯度變化較大的區域逐漸減少。當吸腔高度下降至160 mm時，這些區域基本消失。這說明通過改變吸腔的高度能有效改善吸嘴的吸塵能力，進而改善氣力輸送系統的流場分布，對提高清掃車的清掃效率非常有益。

5.2 吸管直徑對氣力輸送系統流場的影響

本節將討論在吸腔高度為160 mm時，不同的吸管直徑對清掃車氣力輸送系統流場的影響，以確定合適的吸管直徑。

圖16 不同吸腔高度下的吸腔中心橫截面處的速度分布云圖

圖17 不同的吸管直徑時吸腔中心橫截面速度分布云圖

綜合分析圖17可知，吸管直徑d越小，氣流通過吸腔和吸嘴的過渡處進入吸管時的氣流速度越大。當吸管直徑為160 mm時，氣流進入吸管的速度最大值為62.24 m/s，吸腔內的氣流速度分布整體偏低，吸腔內大部分區域氣流速度分布在20 m/s以下，不利于塵粒的起動。當吸管直徑增加到170 mm時，吸腔內的氣流速度分布有所改善，但吸塵核心區氣流速度仍然較低。吸管直徑增加到180 mm時，只有吸嘴中間肩部存在一定的低速區，吸腔內其他區域低速區基本消失，整體上看氣流速度分布比較均勻，這有利于改善氣力輸送系統的流場分布。由圖17(d)、(e)可知，隨著吸管直徑繼續增大，會導致進入吸管的最大氣流速度下降。吸嘴中間肩部的近地面低速氣流區增多，吸嘴左右兩側肩部出現氣流速度梯度變化大的區域。如果要改善吸腔內的氣流速度分布，提高吸管的氣流速度，需要加大風機功率來增加吸嘴的進氣量，不利于節能，會造成清掃車工作經濟性下降。綜合以上分析可知，吸管直徑為180 mm時，吸腔內的氣流速度分布最佳，同時也能保證洗掃車工作經濟性良好。

6 結語

本文以某城市道路洗掃車為研究對象，考慮行駛車速、車身結構、盤刷旋轉運動的影響，對整車環境下洗掃車氣力輸送系統流場特性進行了深入的研究。研究了不同吸腔高度、吸管的直徑對氣力輸送系統的流場分布的影響。仿真結果表明，在保持吸嘴的總長、總寬、總高不變，吸腔高度為160 mm，吸管直徑為180 mm時，洗掃車氣力輸送系統的流場分布非常合理。該結果與單一地在吸嘴四周建立氣流擴展區進行氣力輸送系統的流場仿真相比，更加符合洗掃車工作的真實情況，對指導洗掃車氣力輸送系統的設計工作具有重要意義。