家用旋風吸塵器分離模式仿真研究

張慶男 樊興菊

摘要：家用臥式吸塵器如今已成為家電市場中的重要品類。按照灰塵分離方式，其主要分為過濾式分離和旋風式分離兩種類型。其中，旋風式吸塵器具有耗材成本低、壽命長，清理方便等優點，日益受到消費者喜愛。本研究通過對某型號吸塵器的旋風分離結構的仿真分析，對臥式吸塵器旋風分離的方式、規律進行了初步的探討。發現在臥式吸塵器的旋風分離運動與工業離心分離器的分離運動存在區別，其中存在 “強氣流作用分離”和“弱氣流作用分離”兩種模式。

Abstract： Canister vacuum cleaner had already been an important part of home appliance market. Based on the dust separation manners， it was divided into two types： filter and cyclone. The cyclone type is gaining popularity year by year due to its advantage of lower consumable cost， longer life time and easier cleaning up. This research did some investigation on an existing vacuum cleaner cyclone's separation manner and regularities. The finding was that defers from the industrial centrifugal separators， there are two modes of separation that can be called "high pneumatic impact separation" and "low pneumatic impact separation".

關鍵詞：旋風分離;家用吸塵器;仿真分析;強氣流作用分離;弱氣流作用分離

Key words： cyclone separation;household vacuum cleaners;simulation analyzation;high pneumatic impact separation;low pneumatic impact separation

中圖分類號：TM925.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0195-02

1? 研究背景

經過百余年的發展，家用吸塵器已經成為家電市場中不可或缺的重要品類，日益受到消費者青睞。其中，家用臥式旋風吸塵器因其使用方便，清理簡單，耗材費用低甚至無耗費，已經成為目前市場中的主流機型。對于一款家用臥式旋風吸塵器而言，灰塵分離效率、噪音、灰塵拾取能力是最重要的三項性能指標。其中，灰塵分離效率直接影響到吸入吸塵器的灰塵在經過集塵桶后到達前置過濾器的灰塵量，從而決定了顧客在使用吸塵器時兩次清洗前置過濾器的時間間隔，同時也是最終穿過吸塵器的灰塵量的先決條件。

但是，目前有關旋風吸塵器的分離效率的較為系統的研究十分缺乏。研究工作主要在廠商的開發部門中進行，因此碎片化十分嚴重。林正二，小高靖典[1]等在2003年的論文中討論了一種比較簡單的旋風分離結構，引入了“副吸引”流路，可惜的是“副吸引”流路的引入使電機前置過濾系統的堵塞速度大大加快。Young Chull Ahn[2]在論文中首先整理了前人研究中總結的室內粉塵的類型和粒徑特征，指出室內粉塵的粒徑分布呈現雙峰特征，且基本上大于2μm。接下來通過對比實驗對切向入口單出風口、切向入口雙出風口、軸向進氣三種旋風分離結構中灰塵分離的最小粒徑與入口截面積、離心部直徑和出氣口直徑的關系進行了研究，指出其中切向入口雙出風口方案的壓降（3430Pa）和界限粒徑（1.5μm）在三者中最優。Gunho Ha[3]等在2011年利用DMT8號實驗灰塵模擬及生活灰塵實測等方法對單旋風漏斗式出風口、單旋風旁路式灰塵出口、雙旋風單灰塵出口3種旋風分離方案進行了比較。遺憾的是，該對比研究并未建立在對三種結構的集塵倉進行優化的前提下，使其結果的參考價值受到了影響。

2? 臥式旋風吸塵器分離結構特點及輸入條件

本研究在2018年10月到2019年3月這段時間里調研了國內市場總計31個品牌，122款家用臥式旋風吸塵器產品。

根據調研所得，本次研究選取的某型號吸塵器分離器體積為0.9L，為市場產品的常見體積;采用的吸塵器入口流速設置為30m/s。根據《IEC 60312 第3.2版 家用真空吸塵器性能測試方法》[4]，吸塵器性能測試的測試塵應包含礦物灰塵和木質粉末兩種組分，多個顆粒尺寸等級。在部分研究（如李強[5]在2008年對工業用旋風除塵器優化設計的研究）中為了簡化模型，對研究粒徑依據其尺寸分布特點采取了求總體均值的處理方法，但與工業離心分離器相比，家用吸塵器的分離對象呈現出類型更為復雜（主要為各種材質和形態的生活垃圾），尺寸、重量、密度的跨度更大的特點，其分離效果和分離形式在不同粒徑下存在極大差異，均值粒徑無法有效反映出大粒徑和小粒徑下的實際分離表現。為進行精細化探討，本研究參考IEC60312的實驗要求，分別設置大理石和木屑的多粒度等級入射流組，如表1和表2所示。

3? 仿真及分析

某品牌某型號的吸塵器集塵桶及其分離器內部空間如圖2所示。

本次研究采用壓力基求解器SIMPLEC算法，首先利用RSM模型對氣流進行求解，再利用DPM模型求解各等級顆粒的運動狀態。在仿真分析中發現：

粒徑大于0.02mm的大理石粉末和粒徑大于0.09mm的山毛櫸粉末，其運動軌跡不再明顯受到氣流的影響，開始反映為更為尖銳的碰撞反射行為和更為筆直的運動軌跡（圖3，圖4）。此部分粉末，大理石部分占大理石總重量的20%，木屑部分占木屑總重量的50%。由此可以看出，在家用臥式吸塵器的旋風分離過程中，大理石粉末在大多數情況下的運動軌跡受氣流影響較小，以粒徑0.03mm為分界，大理石粉末的分離模式在氣流作用水平上產生了明確的差異。而在山毛櫸木屑中，大粒徑顆粒和小粒徑顆粒的分離行為也產生了明顯的區別，分離過程存在顯著的“雙重性”特征。這一點與工業用離心分離器的分離模式有明顯區別。

至此，為了更好地描述家用臥式吸塵器分離結構中顆粒旋風分離的形式，可以提出“強氣流作用分離”與“弱氣流作用分離”的概念。①“強氣流作用分離”的顆粒，其運動軌跡在顆粒追蹤中表現得更為圓滑，幾乎看不到反射現象。顆粒的運動更多地被呈現被氣流裹挾的狀態，并在重力、離心力的共同作用下形成其運動軌跡。②“弱氣流作用分離”的顆粒，其運動軌跡平直，可以看到明顯的碰撞反射現象。顆粒因為自身質量較大的原因，分離器內的風速無法對其運動軌跡造成明顯影響，因此其運動軌跡更多地被自身入射角度、碰撞反射、摩擦、重力等條件決定。

在對更多家用臥式吸塵器分離結構的仿真分析中發現，在同等尺度、同等輸入條件下，其灰塵分離方式均以弱氣流作用式分離為主，這正是由其氣固二相流的速度、成分構成以及吸塵器分離器的尺寸決定的。對于某種密度的顆粒而言，其分離運動的特征會隨著粒徑從小到大從“強氣流作用分離”轉化為“弱氣流作用分離”。

4? 結論

由于分離過程的“雙重性”特點，在工業旋風分離器考察中的一個重要指標Dc50（50%臨界粒徑）在臥式吸塵器的性能評估中參考價值降低了——在強氣流作用型的顆粒組和在弱氣流作用型的顆粒組中各自存在一個Dc50，而且處于中間粒徑的微粒組中可能會同時存在兩種Dc50，所以無法對該類型的分離器進行有效的評估。因此，建議在對家用吸塵器等小尺度旋風分離器的仿真分析中采取將顆粒按粒徑分組，并逐一分析捕集模式和捕集率的研究方式。為了便于描述吸塵器灰塵分離的特有模式，本文提出了“強氣流作用分離”和“弱氣流作用分離”的概念并初步探討了它們在吸塵器旋風分離中的特性，上述概念的提出對吸塵器旋風分離器的設計和研究可以提供一定的參考。在弱氣流作用分離過程中，入射角度對顆粒的分離效果影響非常大。簡單起見，在產品設計時可以直接參考顆粒入射后的慣性及碰撞運動軌跡來進行參數設定，而進風口、出塵口的尺寸、角度及相對位置這些要素的組合形式將對分離效果產生顯著影響。另外，在弱氣流作用分離過程中，重力的作用將較為明顯，因此分離器在產品中的擺放角度是需要重視的問題。另外，從上述分析可以看出，山毛櫸木屑的分離行為能夠更細致地體現出與家用吸塵器旋風分離器具有同等尺度、同等工況的分離器在不同分離形式中的表現。如果基于成本或者效率的要求，需要對仿真實驗和實機實驗進行簡化設計，那么采用山毛櫸木屑射流將是更佳選擇。

參考文獻：

[1]林正二，小高靖典，劉有常.家用旋風式吸塵器的開發[J]. 家電科技，2003（09）：60-61.

[2]Ahn Y C， Jeong H K， Shin H S， et al. Design and performance evaluation of vacuum cleaners using cyclone technology[J]. Korean Journal of Chemical Engineering， 2006， 23（6）： 925-930.

[3]Ha G， Kim E， Kim Y， et al. A study on the optimal design of a cyclone system for vacuum cleaner with the consideration of house dust[J]. Journal of Mechanical Science & Technology， 2011， 25（3）： 689.

[4]EN 60312-2008，家用真空吸塵器性能測量方法[S].

[5]李強.旋風除塵器優化設計及分離特性研究[D].中南大學， 2008.