基于CFD仿真的微型電動吸塵車抽吸系統的改進分析

詹曉華

(閩西職業技術學院，福建 龍巖 364021)

0 引言

微型電動吸塵車作為一種新型的集吸灰塵、分離和運輸為一體的高效除塵設備，具有零排放、低噪音、吸力強勁、清潔徹底、可靠耐用、無揚塵污染、節約水等優點。而吸嘴、反吹系統、灰箱等是吸塵車氣路系統的關鍵部件，其結構對吸塵能力起到非常關鍵的作用。氣流在以上部件中流動，流動的路徑、管道阻力及產生的旋流等對吸塵效果具有重大影響[1]。分析氣流的流動在整個抽吸系統中具有重要意義。在制造和工程領域，CFD流體分析主要應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題[2]。本文通過采用CFD仿真方式對微型電動吸塵車吸嘴、反吹系統及灰箱結構進行分析對比，為設計改進提供理論依據。

1 微型電動吸塵車抽吸系統改進思路

微型電動吸塵車的工作原理如圖1所示。電機驅動風機排空氣體形成真空負壓，在負壓作用下，含塵氣流經吸嘴吸入氣流管道，先進入灰箱，此過程中大顆粒灰塵會通過重力沉降與氣流分離，之后進入濾筒進行過濾，以除去小顆粒灰塵，過濾后的潔凈氣流進入驅動風機，風機出口的氣流分為兩路，一路直接排出，一路進入反吹系統，反吹氣流使地面灰塵揚起，提高吸嘴的抽吸效率。

上述工作原理分析中，如風機流量及負壓一定時，氣流管路阻力、降塵阻力、反吹阻力等因素是決定吸塵車工作效果的關鍵因素。為提高整臺吸塵車的抽吸效果，本文提出如下改進思路，先根據現有一些吸塵系統的研究結果和經驗設計，確定微型電動吸塵車吸嘴的吸塵設計風量。該風量首先能有效地將塵粒從地面吸起，且保證塵粒隨氣流在管路中順利輸運不發生沉降，以免堵塞管路。再對原有的設計方案進行管路阻力大小和反吹系統校核計算，以考察是否能夠滿足設計要求。最后重新設計吸嘴、反吹系統，并對灰箱結構進行優化改進，提高重力沉降的除塵效率，以減小濾筒的壓力，同時還對氣路提出改進方案，使反吹的氣流不通過濾筒，可以大幅減小阻力。

2 微型電動吸塵車抽吸系統的分析

2.1 吸嘴吸塵風量設計

由于氣路系統的阻力與風量的平方成正比，所需風機功率與風量的三次方成正比。若小幅地提高風量會導致所需風機功率的大幅提高，因此，風量不是越大越好，在能夠滿足吸塵需求的情況下，風量應盡量減小。

根據現有的研究成果，塵粒起動的臨界風速可以由經驗公式1近似確定，此風速可以看做吸起塵粒所需在地面達到的風速大小。

(1)

為了測試吸嘴附近地面的風速情況，設定風量為24 m3/min時的仿真結果如圖2所示[3]，說明地面附近風速已經達到10 m/s以上，可以吸起直徑2 mm以下的顆粒。由于所需風速隨塵粒直徑的增大而增大，所以考慮到經濟性，設計最大吸塵直徑不宜過大。

垂直管道中應保持一定風速以輸運塵粒[4]，其大小與起動速度相當。在水平管道中，風速應比垂直管道略大，在較長的水平管道中，風速最好大于20 m/s。這是因為塵粒容易沉積在管道底部，反而比垂直管道中的塵粒更難輸運。考慮到吸塵車使用的管道管徑為140 mm，按管內風速20 m/s計算，所需風量約為18 m3/min。該風量雖已足夠，但是為了提高吸塵效果，風量應在風機允許的情況下越大越好。根據現場情況分析，將設計風量取為24 m3/min。

此外，該理論分析的結果僅表明單個塵粒可以被吸起，但是當地面灰塵較厚時，如果車速過快，可能來不及將所有塵粒全部吸起。不過考慮到反吹系統的作用，實際吸塵效率也可能會優于分析結果。

2.2 反吹系統分析

依據計算流體力學方法對反吹系統進行計算模擬，用簡化模型代替反吹系統。如圖4所示，在反吹風量為總風量的四分之一(0.1 m3/s)時，模擬得到的系統阻力高達4 900 pa，顯然現有的風機難以提供如此大的阻力。這個現象主要是因為該系統的噴頭過多，噴頭出口狹窄，產生了巨大的摩擦阻力。實際使用過程中，如果不對風機出口做任何處理，反吹系統中幾乎沒有風量。如果堵住風機出口，強迫部分氣流進入反吹系統會導致整個系統阻力過大，達到8 000多pa，遠高于風機可以提供的壓力。

表2 各編號噴口的風量

此外，原反吹結構存在流量不均衡的問題，在圖3中，各編號噴口的風量如下表所示。

從表2的數據可知，距離主管的距離越近，流速越快。距離主管遠的部分，由于部分空氣已經從前面的噴口噴出，流量變小，導致管內流速變小，進而管內壓強變大，所以流量反而增大。其中距離主管較近的4號噴管噴氣量幾乎為零，甚至可能出現吸氣現象。因此，原有設計方案如果使用4 kW風機，在不使用反吹系統的情況下，可以基本滿足吸塵需求。

2.3 改進方案

2.3.1 吸嘴部分

原設計的吸嘴可以基本滿足吸塵要求，將對部分結構加以改進以進一步減小氣流阻力。由于原設計中最可能導致阻力過大的部分在圓管的入口處，原設計中吸嘴結構的數值模擬結果如圖4所示，圖中顯示了吸嘴結構內部氣流流線，三個噴嘴的氣流在圓管入口匯合產生漩渦，漩渦的產生會導致流體的內摩擦增加，導致了較大阻力。此外，灰塵在此漩渦中容易沉積，堵塞管道[5]。

改進思路主要是將圓管入口處來自不同吸嘴的氣流先導引至圓管方向再匯合，可以避免反方向氣流的對撞導致的能量損失，改進吸嘴結構的CAD模型如圖5所示。氣流經過一段彎管的導引，轉向到圓管方向，最大限度地保留了氣流的動能。

從圖6可以看出，裝置改進后，圓管入口的氣流平滑過渡，相應的阻力也從1 700 pa大幅下降到1 000 pa。

2.3.2 反吹系統

由于原反吹系統無法保證各噴頭流量相同，且管道直徑過小，導致阻力極大，達不到反吹效果。若采用多個噴頭，則主管道的形狀必須精心設計才能夠保證流量均勻，這種設計成本過高，所以最好僅采用一個或兩個噴頭。由于要保證一定的噴氣寬度，使用兩個狹縫噴頭最合適，優化方案如圖5所示，與吸嘴類似，使用兩個狹縫形噴嘴。同時為了保證反吹能夠起到效果，氣流必須達到一定速度，該速度需大于塵粒的啟動速度。在噴氣風量有限的情況下，噴口的截面積一定要盡可能小[6]。但是，過小的截面積會導致阻力急劇上升，因此，在遠離噴口的部分，管道應該盡可能粗，到達噴口后才收縮成預定的面積大小。

吸嘴和噴嘴的組合方式(主視圖和左視圖)如圖8所示，該組合方式所占空間并不大于原設計，不影響安裝。同樣對噴嘴進行數值模擬分析，在反吹風量為25%總風量(0.1 m3/s)時，反吹噴口處速度可達15 m/s以上，完全可以達到效果[7]。反吹氣流的流線分布如圖9所示，反吹噴口附近的氣流速度大小分布如圖10所示。

2.3.3 灰箱

由于濾筒產生非常大的阻力，若能最大限度減小進入濾筒氣流的含塵量，則可以有效減小濾筒的阻力，延長濾筒的使用壽命。因此應對灰箱進行改進，以使其起到一次除塵的作用，最大限度地除去氣流中的較大顆粒。目前常用的預除塵方式有重力沉降式、慣性式、旋風式三種，重力沉降法需要空間較大，不適宜用在小型車輛上；旋風式除塵效果最好，但是工藝復雜，且阻力較大；綜合考慮選用慣性式除塵方案最為合適。如圖11所示為使用慣性除塵方案的灰箱結構圖，在灰箱內加入一塊“人”字形擋板。

對這使用慣性除塵方案的灰箱進行運動模擬，模擬結果如圖12所示，模擬458個直徑為50 μm的塵粒從入口流入，氣流受擋板影響向兩邊分開，但是塵粒由于慣性作用保持向前，直到擋板的尖角區域，被擋板阻擋。由于此處的氣流速度較慢，塵粒在這里與氣流分離向下沉降到灰箱底部。部分塵粒隨氣流向上流出后繞過擋板，由于流速下降，在重力作用下也沉降于灰箱底部。少部分塵粒未能沉降，隨氣流流出灰箱，最終將被濾筒過濾。

表3顯示了不同粒徑的灰塵的清除效率，可見，對于100 μm以上顆粒可以基本除盡，對于50 μm以上顆粒除塵率可達90%以上。灰箱重新設計后，阻力增大，約為778 pa左右，較之前升高了約300 pa，但提高了除塵效率。

2.3.4 一種新的氣路方案

原氣路設計如圖1所示，所有氣流經由吸嘴吸入后都經過濾筒后進入風機，該種管路長，不僅會加大濾筒的阻力，而且也加大了濾筒的流量，因為用于反吹的氣流最終會被吸嘴吸回，因此可以不考慮過濾。同時為了保證反吹系統的流量，風機出口處必須人為堵住一部分，以提供與反吹系統相同的阻力[8](約629 pa)，否則氣流不會進入反吹系統。因此為了解決這些問題，提出了一種新的方案，如圖13所示。風機出來的風分為濾筒和反吹系統兩路，兩路的阻力大小相近，可以保證反吹系統的風量。氣流從風機出來后，只有不參與反吹的氣流才經過濾筒，減小了濾筒阻力。若反吹風量為25%，濾筒阻力可減小到原來的56%。

3 結論

本文利用CFD軟件模擬仿真方式，對微型電動吸塵車抽吸系統中的吸嘴、反吹系統、風道、灰箱等重要部件進行流體仿真分析。通過仿真對比，提出吸嘴采用導引加反吹方式，保持吸嘴口處的流體動能，有效提高抽吸能力。并通過數值模擬計算，在帶導引加反吹方式下，氣流分兩路，通過設計分流管道大小保持阻力均衡，檢驗改進方案的效果，通過模擬計算反吹量控制25%時，濾筒阻力只有原來56%。阻力減少值大于反吹風量減少值，證明該種仿真模擬有效提高吸嘴性能。同樣，在分析灰箱結構后，提出采用慣性降塵法進行除塵，通過仿真模擬檢驗，對于100 μm以上顆粒，除塵率也達到99.3%，檢驗證明該方式能有效提高降塵效率。在以上模擬仿真分析后，進一步提出一種風機雙向分流供給反吹系統和濾筒的平衡利用方式，大大減小原來的流體內循環阻力，提高整個抽吸系統的效率。采用CFD模擬仿真分析方式，為實際優化改進提供有效的理論依據，對實際生產提供較大幫助。