基于塵粒啟動特性的新型吸塵裝置流場數值模擬及試驗

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(1.中南大學機電工程學院，湖南長沙，410083；2.湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲，412007；3.中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙，410100)

鐵路道床表面的污物清理工作多年來主要依靠人工完成，近年來，一些軌道表面清污設備開始研制并投入使用，如應用于無砟軌道客運專線的道床吸污車、朔黃(山西神池—河北黃驊港)鐵路的吸煤車、蘭新二線(蘭州—烏魯木齊)的軌道除沙車等，其基本工作原理建立在吹吸循環工作方式和氣體輸送技術上。針對上述鐵路專用養護設備，郭關柱[1-2]采用吸風循環式軌道吸塵裝置，吹風氣流通過前后吹嘴將污物吹起后，由中間吸風口將污物吸入除塵器內，并對能耗和吸污能力進行了分析；史天亮[3]對吸塵裝置內部流場進行了數值模擬，在不同參數情況下對吸塵效率進行了仿真研究；張繼恩等[4]利用氣流吹吸原理，對鐵路道床堆積煤粉的關鍵特性進行了研究；郭關柱[5]對氣力吸取式軌道吸沙機的吸沙特性進行了探討；張鳴鳳等[6]利用正交試驗方法研究了地鐵清掃車的重要參數對清掃效果的影響規律。上述專用設備對道床表面的不同污物清理起到了一定的作用，但存在只能處理特定類型污物、清污工況單一的缺點，尤其在污物量大的情況下應用效果不夠理想。國內公路清潔車輛已得到廣泛應用和研究。在除塵效率和結構研究方面，李必紅[7]分析了吸塵口的結構參數對吸塵性能的影響；曾廣銀等[8-12]運用CFD技術對公路清掃車的吸塵系統進行了流場仿真和結構改進；WU等[13]建立了吸塵車氣固兩相流場模型，使用數值計算方法分析了吸塵車前進作業速度、吸塵口進出口壓降和不同類型的粉塵顆粒對真空吸塵口內氣固兩相流動特征及其吸塵性能的影響；郗元等[14-15]以除塵效率為性能指標，研究了各參數與除塵效率的關系。這些研究對鐵路道床吸污裝置的設計起到了一定的指導意義，但不適用于表面結構不規則、污物情況復雜的鐵路道床。本文作者在鐵路道床吸污車和吸煤車現有結構的基礎上，提出新型的吹掃吸組合工作裝置結構，對比原有的吹吸組合工作方式，重點研究結構參數對吸塵效果的影響規律，采用氣固兩相流動方法仿真計算該新結構的吸塵效率，并結合試驗驗證數值模擬的合理性。

1 吸塵裝置作業原理分析及塵粒臨界啟動條件

1.1 吸塵裝置作業原理分析

原有的道床吸污車吸塵裝置工作原理如圖1所示，吹風風機產生的高速吹噴氣流(正風壓)通過前后兩側吹嘴將鐵路道床表面的污物吹起，再由吸風風機形成的吸污氣流(負風壓)從中間吸風口將污物吸入除塵器內，夾雜污物的氣流經除塵器過濾后排放到空氣中，從而達到清潔鐵路道床的目的。這種吹吸組合的吸污方式對吹吸風速度的匹配要求較高，較小的吹風速度將導致作業效率低，過高的吹風速度將造成二次污染[16]。此外，該方式多用于清掃高速鐵路無砟軌道上散落的灰塵和鋼軌打磨鐵粉等污物顆粒，對于污物量大的區域，僅僅依靠吹風氣流的剪切力作用，不足以將較厚污物清理干凈。

圖1 吸風循環式軌道吸塵裝置工作原理Fig.1 Principle of dust suction apparatus with blowsuction cycle

針對原有吸塵裝置在污物堆積工況時吸污效率不足問題，本文提出新型的吹掃吸組合裝置的作業模式示意圖如圖2所示。其工作原理是：吹風氣流通過吹風口將道床表面的污物吹起，吸風口布置在吹風口的前后兩側，同時在其外側分別增加了一套滾刷式清掃裝置；前、后滾刷分別采用圓周順轉和逆轉的方式，將道床表面污物沿切線掃起拋入吸風口區域。這種結構將避免吹風氣流引起污物外泄造成二次污染，同時，采用機械式滾刷將極大提高堆積污物的吸塵效率。

圖2 吹掃吸組合作業模式示意圖Fig.2 Principle diagram of blow-sweep-suction combined mode

1.2 吸污工況及研究對象分析

當清掃無砟軌道道床表面或污物量較少時，滾刷不參與作業。滾刷作用主要應用于污物顆粒較大且較厚的工況，例如運煤專線隧道處煤粉的清掃。與石子和鐵粉相比，煤粉的密度要低很多，但在鐵路運煤專線，散落的煤粉在道床上堆積現象嚴重。本文重點針對該工況以煤粉顆粒為對象，進行數值模擬及試驗研究。

為使研究結果與實際情況相符，取樣煤粉，利用顯微鏡、天平和量筒，進行形態觀測、質量和容積測量，研究煤粉的物理特性。研究結果表明：煤粉的堆積密度為850 kg/m3，實體密度為1 197 kg/m3，堆積煤粉顆粒粒度以0.5～5.0 mm 為主，顆粒粒度小于0.05 mm 的煤粉質量分數低于1%，顆粒粒度大于12.0 mm 的煤粉質量分數低于1%，顆粒粒度為0.2～5.0 mm 的煤粉質量分數達90%。

1.3 塵粒運動臨界條件

污物塵粒的氣力啟動速度是指使得塵粒開始滑動、翻滾并即將懸浮的最小氣流速度，只有當風速超過這一最小風速時，塵粒才有可能發生移動[17]；當污物層較厚或污物顆粒粒度較大時，在車輛有效作業時間內，僅僅依靠氣流作用無法達到預期的吸塵效果，此時滾刷參與作業；當滾刷水平清掃力大于塵粒與地面的摩擦力或垂直清掃力大于塵粒的重力時，塵粒開始發生移動或跳動。

1.3.1 氣力起塵臨界條件

對于直徑為d1的球形顆粒，在空氣中的浮重G為

所受流體動力F為

塵粒自由懸浮時，必須滿足流體動力與浮重相等、方向相反這樣的力學平衡，所以，

由此可解出塵粒啟動臨界速度v1為

式中：ρk為顆粒密度；ρq為空氣密度；v1為塵粒啟動臨界速度；C為阻力系數(本文取C= 0.44)；d1為塵粒的當量直徑；g為重力加速度；G為浮重；F為流體動力。

1.3.2 滾刷刷掃起塵臨界條件

滾刷刷毛與塵粒接觸受力情況如圖3所示。設P1為兩者接觸點，塵粒所受滾刷水平清掃力∑Fx和垂直清掃力∑Fy計算如下：

式中：fT為刷毛與塵粒摩擦力；NT為刷毛對塵粒正壓力；αT為P1點切線方向與水平方向的夾角；fR為不同環境下塵粒與地面的摩擦力；μ1為刷毛與塵粒摩擦因數；m為塵粒質量。

刷毛作用到地面的壓力N的經驗計算公式為[18]

式中：d2為刷毛直徑，m；E為刷絲的彈性模量，Pa；J為刷絲截面慣性矩，m4；s為刷毛的自由長度，m；h為刷毛的變形量，m；ZB為刷毛與地面接觸的數量；R為滾刷半徑，m；vm為滾刷圓周線速度，m/s。圖3中，R0為滾刷軸半徑，m；YK為刷毛自由長度與變形量之差。

N=NTcosαT，代入式(5)和式(6)可求得∑Fx和∑Fy。

圖3 滾刷刷毛與塵粒接觸受力圖Fig.3 Contact force diagram between brush bristles and dust particles

2 模型建立

2.1 物理模型

根據本文提出的新型吸塵裝置結構及吹掃吸組合作業原理，建立其物理結構模型，如圖4所示，其中，中間為吹風口，用于將污物吹起，兩側對稱布置吸風口。為了便于分析關鍵參數對吸塵效率的影響，吸塵裝置建立模型時設定：1)模型的左右兩側作為空氣入口；2)將地面分為3 部分，其中，中間位置為吹吸風作用區域，兩側為滾刷刷掃作用區域；3)在距離吸風口頂面80 mm處分別建立吸風口半截面，用于計算該截面處氣流的平均流量。

由于吸塵口結構不規則，利用ICEM-CFD 對模型進行非結構網格劃分。為保證計算精度，進行網格無關性檢驗。經多次劃分后，最終網格數量確定為12萬余個。選用標準k-ε方程作為湍流計算模型，選擇二階迎風差分格式和SIMPLE求解算法[19]。邊界條件設置如下：流場計算采用速度入口、壓力入口的邊界條件，吹風速度取正值，吸風速度取負值。對與吹風口平行的兩側進行擴張，其端面作為進風口，與吹風口垂直兩側則根據實際情況作為壁面。

圖4 吹掃吸裝置的結構模型Fig.4 Simulating structure model of dust suction apparatus

2.2 數學模型

流場遵循下列動力學方程[20]。

1)連續性方程：

其中：ρ為流體密度；v2為流體速度。

2)動量方程：

其中，校正壓力p′為

p為靜壓力；ξ為體積黏性系數；μ2為層流黏度系數；。

有效黏度系數μeff的定義式為

其中：μT為湍流黏度系數，

Cμ為經驗系數，通常取0.09；k為湍動能；ε為動能耗散系數，它們滿足k-ε雙方程。

3)k-ε雙方程：

其中：

σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特數；C1和C2為常數。

3 吸污效果數值模擬及結果分析

3.1 參數設定

本文結合產品結構及功能要求，對參數進行仿真分析研究，以求得風速風量的合理匹配。考慮到原有產品部分參數無法更改，因此，對主要參數進行如下規定：最大吸風風量為65 000 m3/h，最大吹風風量為30 000 m3/h，滾刷直徑為500 mm，滾刷轉速為0～450 rad/min。吹風風量可調節，當設置最大吹風風量時，吹風口最大風速為29 m/s。

3.2 吹風速度對吸塵效果影響分析

當吹風氣流速度大于塵粒啟動速度時，塵粒才能被吹起，或者當滾刷的水平清掃力大于塵粒與地面的摩擦力、垂直清掃力大于塵粒的重力時，塵粒就會運動。吸風速度越大越有利于將吹掃的塵粒吸入，當吸風量調節為風機最大值時，吸風口速度為23 m/s。

吹風量可在一定范圍內調節，只有將污物吹到距離吸風口一定范圍內污物才能被完全吸走，達到高效除塵的目的。根據圖4所示模型，對不同吹風速度時工作裝置的流場進行數值模擬，地面最大風速、平均風速及吸風口半截面處平均氣流速度如圖5所示。

由圖5可以看出：隨著吹風速度增加，地面最大風速逐漸增大；當吹風風速較小時，由于受到吸風氣流的影響，吹到地面的平均風速增大較緩；隨著吹風速度增大，其抗吸風干擾的能力加強，吹風到達地面的平均風速增大變快。

圖5 不同吹風速度時的地面及吸風口處氣流速度Fig.5 Air velocity on the ground and at suction port at different blowing speeds

吸風口半截面處的平均風速先增大后逐漸減小。當吹風速度小于18 m/s 時，吹風氣流被較大的吸風氣流直接吸至吸風口，此時，吸風口平均氣流隨著吹風速度增大而增大；當吹風氣流繼續增大時，其抗吸風氣流干擾能力逐漸增強，較多的氣流吹至地面同時沿遠離吸風口半截面位置處運動，從而造成吸風口半截面處氣流平均速度減小。可見，吹風速度不宜低于18 m/s，當風速過小時，由于受吸風氣流影響以及衰減，達到地面無法吹起污物。

3.3 吹吸風口距離對吸塵效果的影響

吹風口與吸風口之間的距離也是吸塵裝置設計的關鍵參數，它同樣影響吸塵效果。吸風口速度為23 m/s，吹風口的吹風速度為18 m/s，吹風口與吸風口之間的距離分別為100，110，120，130，140，150 和160 mm。在其他參數不變的情況下，對吹吸裝置流場進行數值仿真，地面處及吸風口半截面處的風速如圖6所示。

由圖6可以看出：隨著吹吸風距離增大，地面處的平均風速逐漸增大。這主要是由于距離越大，吸風氣流對吹風氣流的干擾越小，達到地面的吹風氣流速度也就越大；吸風口半截面處的平均氣流速度先增大后減小，這是因為：吹風氣流吹至地面后朝前后兩側流動，由于設定的吸風口半截面選取靠近吹風口一側；當距離較小時，進入吸風口另外一半截面的氣流較多，此時，該半截面氣流速度較小；隨著吹風口與吸風口間距增大，吹風氣流進入設定吸風口半截面的風量逐漸增多，吸風口半截面氣流平均速度增大；當距離為130～140 mm 時，到達地面處的吹風氣流剛好被吸風氣流吸起，從而使吸風口的氣流速度達到最大；隨著距離繼續增大，部分吹風氣流在進入吸風口前被罩體結構遮擋，造成氣流部分損失。因此，吹吸風口距離130～140 mm為較佳的吹吸風口距離。

圖6 不同吹吸風口距離時的地面及吸風口處氣流速度Fig.6 Air velocity on the ground and at suction pot at different distances between blowing and suction outlets

3.4 氣流相分析

根據圖4所示模型，設置吸風速度為23 m/s，吹風速度為18 m/s，吹風口與吸風口之間的距離為130 mm，對吸塵裝置內部速度流線分布進行仿真，結果如圖7所示。從圖7可看出吹到地面的最大速度為19.0 m/s，大于粒度為5 mm 的煤粉啟動速度(15.3 m/s)，且氣流方向緊貼地面。該結構由于吹吸相互影響，在地面處形成渦流，極大地提高了該處的氣流速度，能夠較好地將塵粒吸起，且內部流場分布呈現規律性，吸風口處氣流速度較平均。

3.5 顆粒相分析

為研究顆粒的碰撞和跟蹤顆粒的運動軌跡，根據圖4所示模型，采用拉格朗日分散相(DPM)模型對不同粒度煤粉在吹吸組合和吹掃吸組合作業這2種工況下的運動軌跡進行數值仿真，用于比較滾刷參與作業時的吸塵效果。吹吸組合作業模式為：滾刷不開啟，地面及滾刷塵粒入口處顆粒注入速度為0 m/s，其他參數與上述設定保持不變。吹掃吸組合作業模式為：設定滾刷轉速為180 rad/min，根據滾刷功率及式(7)，計算滾刷塵粒入口處的塵粒注入速度為3.75 m/s，地面處顆粒初始速度仍為0 m/s。

圖8和圖9所示分別為2 種模式時的顆粒運動軌跡。由圖8和圖9可看出顆粒運動軌跡與圖7所示氣流速度流線總體上相似，顆粒隨著氣流運動到達吸風口后被吸走。通過對比2種模式下不同顆粒粒度可知：當顆粒粒度較小時，運動軌跡比較規則，被吸風氣流捕捉耗時較短；隨著粒度增大，顆粒所需啟動速度增大，吸塵捕捉過程變長，同時，顆粒相互之間的碰撞增加了運動軌跡的雜亂程度，此時，大粒度污物難以較快地隨氣流進入吸塵口，造成吸污效率下降。

圖7 速度流線圖Fig.7 Diagrams of velocity vectors and streamlines

從圖8可見：在吹吸組合作業模式下，當粒度增大達到5 mm時，顆粒運動軌跡逐漸雜亂。從圖9可見：對于同樣是粒度為5 mm 的顆粒，在吹掃吸組合作業模式下，運動軌跡仍較規則，幾乎完全被氣流吸走，直至當顆粒粒度為15 mm 時，顆粒運動軌跡變得雜亂無序。這說明在該工況下吸塵效果比前者好，能夠處理較大顆粒的污物。根據取樣煤粉的粒度分布可知：5 mm 以下的煤粉質量分數達90%，該裝置的吹掃吸組合作業工作模式能較好地滿足使用要求。

圖8 吹吸結合作業時煤粒運動軌跡Fig.8 Coal particle trajectories with blow-suction mode

圖9 吹掃吸組合作業時煤粒運動軌跡Fig.9 Coal particle trajectories with blow-sweep-suction mode

圖10 2種作業模式的作業試驗對比Fig.10 Comparison of field test results of two operation modes

4 現場試驗效果對比

選取一段有砟軌道線路，沿道床表面均勻鋪設厚度為100 mm、直徑為1～15 mm不等的煤粉顆粒。在清污車輛作業行駛速度為5 km/h 時，針對改進后的新型吸塵裝置2種作業模式，對比作業前后的吸塵清理效果，結果如圖10所示。從圖10可見：不開啟滾刷時，吹、吸結合作業工況下吸塵效率僅為70%～80%；當滾刷參與作業時，吹掃吸吸組合作業模式下吸塵效率可達95%以上。

5 結論

1)在吸風功率已確定的情況下，吸風口風速保持不變，吸塵效率主要受吹風速度和吹吸風口距離的影響。通過對工作裝置流場的數值模擬和氣相流分析，設置吹風速度為18 m/s、吹吸風口距離為130～140 mm為宜。

2)吹吸作業模式適用于道床表面污物較少工況，如高鐵開通前的無砟道床表面固體粉塵顆粒的清理及打磨車打磨磨削的收集等；當污物顆粒較大且堆積較厚時，滾刷刷掃和吹吸風氣流的共同作用，可有效地提高吸塵清理效果。

3)吸風口置于吹風口兩側的結構布置優于原結構，不會出現氣流外泄造成二次污染，同時能夠滿足車輛雙向作業要求。