基于CFD的洗掃車水力系統(tǒng)的噴嘴分析與優(yōu)化

朱玉倫，郝淑英，劉 君，張琪昌

（1.天津理工大學a.天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與控制重點實驗室，b.機電工程國家級實驗教學示范中心，天津300384；2.鄭州宇通重工有限公司，鄭州450001；3.天津大學天津市非線性動力學與控制重點實驗室機械工程學院，天津300072）

隨著城市化進程加快，對高清洗效率洗掃車的需求日益增加[1]。洗掃車結(jié)合了掃路車、高壓清洗車和灑水車的多重功能，對路面清掃的同時還可實現(xiàn)對路面的高壓沖洗，清潔效果好，作業(yè)無揚塵，特別適用于城市道路等的深度清掃[2]。扇形噴嘴是洗掃車清洗設(shè)備的重要組件，其結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響射流性能、清洗質(zhì)量、功率損耗和清洗成本[3]。

為更有效地提升扇形噴嘴的清洗性能，國內(nèi)外學者分別采用數(shù)值模擬和試驗分析兩種方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)影響射流性能進行了研究。梁博鍵等[4]研究了出口擴張角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能的影響，得出了能夠使噴嘴獲得較好的清洗效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)。歐陽聯(lián)格等[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了射流過程中入口壓力等參數(shù)對清洗效果的影響規(guī)律。王國志等[6]研究了切槽形狀和加工方式對清洗效果的影響。于蘭英等[7]運用Fluent的流體體積（volume of fluid，VOF）兩相流模型對不同出口直徑的扇形噴嘴在不同壓力下的打擊力和動壓進行了比較分析，研究發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑和壓力的增大都會使打擊力增大。李喆等[8]分析了打擊距離和打擊角度對清洗效果的影響，從而確定了更為合理的射流參數(shù)。高傳昌等[9]運用正交試驗方法對自激吸氣脈沖射流噴嘴的吸氣性能和沖擊性能進行了試驗研究，并通過極差和方差分析研究了噴嘴面積比和相對腔內(nèi)面積等因素及其交互作用對裝置的工作性能的影響。SHEN等[10]以錐形收斂噴嘴為研究對象，進行正交試驗設(shè)計，對噴嘴出口速度的質(zhì)量特性進行了研究。

目前將試驗設(shè)計引入到扇形噴嘴研究中的人越來越多，但多數(shù)情況下，只是考慮單因素結(jié)構(gòu)參數(shù)對于射流性能的影響[11-12]，很少有研究全面的考慮多個結(jié)構(gòu)因素及其交互作用對扇形噴嘴的射流性能的影響。

本文采用正交試驗的方法對某洗掃車所使用的某型號的噴嘴進行了優(yōu)化設(shè)計，研究了扇形噴嘴的收縮段角度、相貫深度、出口擴張角這3個結(jié)構(gòu)參數(shù)及其交互作用對扇形噴嘴的射流性能的影響，確定出扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合；應(yīng)用有限元分析的方法對優(yōu)化結(jié)果進行了仿真和驗證，驗證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。研究結(jié)果為噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提升扇形噴嘴的射流性能，從而提升洗掃車的清洗效果提供了理論依據(jù)。

1 扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)與清洗原理

圖1為某洗掃車用扇形噴嘴結(jié)構(gòu)剖面圖，該扇形噴嘴安裝在作業(yè)噴桿上，洗掃車水箱中的水在高壓泵的作用下通過作業(yè)噴桿流向該扇形噴嘴，該噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對水簾形狀、打擊力以及流量等有著重要的影響。

圖1 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Sectional drawing of sector nozzle structure

圖2 為噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。噴嘴出口由V形槽與半球收縮段相貫而成，該出口結(jié)構(gòu)使得水射流形成扁平的扇形流束，其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了噴嘴外部射流形狀以及性能。選取了收縮段角度α、相貫深度h、出口擴張角θ作為需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，噴嘴的其他結(jié)構(gòu)尺寸均由所切開的噴嘴實物模型測量得到。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle structural parameters

洗掃車的清洗原理是高壓水從扇形噴嘴射出，打向地面，通過高壓水的打擊力來剝離地面上的污垢，再通過車廂底盤中央的吸口將污垢吸走。因此，水射流打擊力是衡量噴嘴射流性能的一個很重要的評價指標。另外，由于洗掃車作業(yè)時的載水量一定，為了使一次作業(yè)的清洗效率盡可能達到最大，噴嘴出口處水流量也是一個需要考慮的重要指標。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

由于洗掃車作業(yè)的載水量一定，因此為了使一次作業(yè)的清洗效率盡可能達到最大，將打擊力和流量作為評價指標，對影響該指標的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行改進，使用試驗優(yōu)化設(shè)計的方法進行尋優(yōu)，得出提升清洗效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)，達到既提升清洗效率又節(jié)省能源這一目標。

2.1 試驗水平的選取

試驗因素及水平如表1所示。

表1 試驗因素及水平Tab.1 Test factors and levels

為了反映出各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對扇形噴嘴的射流性能的影響，采用正交試驗設(shè)計，用A表示收縮段角度的變化，B表示相貫深度的變化和C表示出口擴張角的變化等3個因素，從實物噴嘴的量級范圍內(nèi)對這3個因素分別選取5個水平。

2.2 試驗設(shè)計

正交試驗是一種研究多因素多水平的設(shè)計方法，它根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，使試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻分散，能反映出全面的情況。文中試驗是三因素五水平正交試驗，根據(jù)正交試驗表設(shè)計出試驗組數(shù)，再通過Fluent進行試驗仿真獲取打擊力和流量，得到的部分有代表性的正交試驗方案及仿真結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗方案及仿真結(jié)果Tab.2 Orthogonal test scheme and simulation results

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)方差分析

2.3.1 打擊力方差分析

方差分析在多因素試驗中，可以幫助人們發(fā)現(xiàn)起主導(dǎo)作用的因素，從而確定試驗中各因素影響作用的主要性及次要性。影響清洗效率的因素有收縮段角度、相貫深度和出口擴張角3種，為了探索各因素對清洗效率的影響作用，使設(shè)計工作簡單化，因此對打擊力和流量進行了方差分析。

根據(jù)試驗設(shè)計的方差，表3為打擊力方差分析，p-value<0.05的時候，代表此因子顯著，即對結(jié)果的影響大；3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對打擊力影響強弱的順序為：B>C>A，3種結(jié)構(gòu)參數(shù)兩兩之間的交互作用對打擊力的影響很小。

表3 打擊力方差分析Tab.3 Variance analyses of strike force

正交試驗法可以通過極差反映各因素及其交互作用對評價指標的影響，極差越大說明該因素對指標的影響越大。將各水平所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和記為ki，i為各水平的代號，各水平從小到大排列，記為1~5，例如A因素所在的第2列中，第1、5和10號實驗中因素A的水平是30，記為k1，所以k1為第1、5和10號實驗結(jié)果之和，即：k1=2.713+1.831+7.863=12.407。

同理可以計算出其他列中的R，打擊力試驗方差如表4所示。

表4 打擊力試驗方差Tab.4 Impact test variance

各列的極差是不相等的，說明各因素的水平改變對試驗結(jié)果影響是不相同的。極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)的變化會導(dǎo)致試驗指標在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素水平對實驗結(jié)果影響最大的，由3個因素的極差，可以看出RB>RC>RA，因此各因素從主到次的順序為：B（相貫深度），C（出口擴張角），A（收縮段角度），這也驗證了前面依據(jù)p-value值所得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)對打擊力影響的分析結(jié)果。

在試驗中，試驗指標是打擊力大小，指標越大越好。顯然，對于因素A來說，水平1是最好的，即收縮段角度應(yīng)選取30°；對于因素B來說，水平4是最好的，即相貫深度應(yīng)選取0.600mm；對于因素C來說，水平5是最好的，即出口擴張角應(yīng)選取65°。

2.3.2 流量方差分析

根據(jù)表5流量方差分析可知，3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量的影響順序是：B>C>A，比較p-value，3種結(jié)構(gòu)參數(shù)兩兩之間的交互作用對流量雖有影響，但影響較小，考慮到試驗及人工的成本，此處忽略交互作用的影響。

表5 流量方差分析Tab.5 Analysisofflowvariance

極差的計算過程與分析打擊力時類似，流量試驗方差分析如表6所示。由3個因素的極差，可以看出RB>RC>RA，因此各因素從主到次的順序為：B（相貫深度）、C（出口擴張角）、A（收縮段角度），這也驗證了前面依據(jù)p-value值所得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量的影響大小。

表6 流量試驗方差分析Tab.6 Flowtestvarianceanalysis

對于流量來說，顯然方差越小越好，所以應(yīng)選取每個因素的k1，k2，k3，k4，k5中最小值對應(yīng)的水平，顯然，對于因素A來說，水平3是最好的，即收縮段角度應(yīng)選取45°；對于因素B來說，水平1是最好的，即相貫深度應(yīng)選取0.30mm；對于因素C來說，水平1是最好的，即出口擴張角應(yīng)選取45°。

2.3.3 多指標試驗擇優(yōu)方案

對于該問題，衡量清洗效果優(yōu)劣的指標出現(xiàn)了兩個，導(dǎo)致該問題產(chǎn)生了一定的復(fù)雜性，表現(xiàn)在這兩個指標之間出現(xiàn)了相互矛盾的現(xiàn)象，選擇一個指標好的水平組合對另一個指標來講可能是不好的，例如大的相貫深度對打擊力是擇優(yōu)而選，但對流量這個評價指標就算是一個劣勢選擇。該問題中，所選取的打擊力優(yōu)選方案對于流量并非優(yōu)選方案，這時就需要兼顧各個指標，尋找使得每個指標都盡可能好的生產(chǎn)條件。為解決這個問題，可依據(jù)綜合評價的準則進行綜合平衡。

收縮段角度A：對于打擊力和流量來講，A對試驗結(jié)果的影響較小，因此對于A指標的選取可依據(jù)顯著性的大小。對于打擊力，A的p-value為0.0766；對于流量，A的p-value為0.6941，而pvalue越小，表明該指標對結(jié)果影響越顯著。因此，這里依據(jù)對打擊力的影響來選取指標，選取水平1，即收縮段角度應(yīng)選取30°。

相貫深度B:對于打擊力來講，B的極差最大，是影響最大的因素，取最大值的水平，即水平4最好；但對于流量來講，B也是影響最大的因素，但評價指標是越小越好，需要選取最小值的水平，即水平1最好，這兩者之間相互矛盾，洗掃車在清洗過程中，清潔率占優(yōu)先地位，若是不能將地面清洗干凈，則說明該產(chǎn)品并不合格。根據(jù)綜合平衡法的原則，這時候應(yīng)滿足相對重要的指標，以打擊力優(yōu)先，選取水平4，即相貫深度為0.6mm。

出口擴張角C:對于打擊力和流量來講，C是對兩者影響較為重要的因素，這里依據(jù)C指標顯著性的大小選取，對于打擊力，A的p-value為0.0011；對于流量，A的p-value小于0.0001，可依據(jù)對流量的影響來選取指標，這樣也可在滿足較大打擊力的情況下，做到盡可能地節(jié)省水資源，降低損耗，因此，選取水平1，即出口擴張角應(yīng)選取45°。

綜上所述，對于該類型的扇形噴嘴，收縮段角度應(yīng)選取30°，相貫深度為0.60mm，出口擴張角應(yīng)選取45°。

3 優(yōu)化結(jié)果的仿真分析及驗證

3.1 噴嘴結(jié)構(gòu)的有限元仿真

使用三維建模軟件UG建立扇形噴嘴的三維模型及外流域場，如圖3所示。噴嘴的端面為水流入口，大圓柱的端面作為水射流打向的靶面，將建立好的模型導(dǎo)入到ICEM CFD流體網(wǎng)格劃分軟件中，由于噴嘴相對于外流場尺寸較小，為了對扇形噴嘴的射流流場準確地仿真模擬，特對扇形噴嘴的內(nèi)部流道進行了網(wǎng)格局部加密處理，對模型分3部分進行網(wǎng)格劃分，噴嘴和外流場部分采用六面體單元，噴嘴與外流場交接處的三棱柱部分采用正四面體單元，交界面處進行節(jié)點合并，扇形噴嘴及外流場網(wǎng)格如圖4所示。使用有限元軟件Fluent模擬水流從噴嘴進入到打向地面的這一過程，扇形噴嘴的端面為壓力進口邊界條件，壓力值設(shè)為6 MPa；扇形噴嘴的內(nèi)表面采用壁面條件；外部流場區(qū)域設(shè)為壓力出口邊界條件，壓力值為1個標準大氣壓。湍流模型采用k-ε兩方程模型，計算過程采用VOF兩相流模型模擬氣液兩相流作用，主項設(shè)為水，第二項為空氣。

圖3 扇形噴嘴的三維模型及外流域場Fig.3 Three dimensional model of fan-shaped nozzle and drainage field

圖4 扇形噴嘴及外流場網(wǎng)格Fig.4 Grid diagram of sector nozzle and outflow field

3.2 打擊力及流量分析

噴嘴原結(jié)構(gòu)中收縮段角度α=45°、相貫深度h=0.5 mm、出口擴張角θ=45°，經(jīng)過Fluent的迭代求解，得到原扇形噴嘴中面處的速度云圖和優(yōu)化后噴嘴中面處的速度云圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 原扇形噴嘴中面處的速度云圖Fig.5 Velocity nephogram in the middle of the original sector nozzle

圖6 優(yōu)化后噴嘴中面處的速度云圖Fig.6 Velocity nephogram at the middle surface of optimized nozzle

高壓水從噴嘴噴出后，逐漸形成扁平狀的扇形流束。在水射流范圍內(nèi)存在射流核心區(qū)，射流核心區(qū)內(nèi)射流水的速度最大，對清洗表面的沖擊力最大，噴嘴清洗的效果最為顯著。同時在射流的縱向區(qū)域內(nèi)，水射流的速度分布均勻。同樣對優(yōu)化后的噴嘴模型進行有限元仿真。根據(jù)后處理的結(jié)果，查看噴嘴靶面的打擊力以及噴嘴出口處的質(zhì)量流量，分別如表7和表8所示。

表7 噴嘴靶面的打擊力Tab.7 Strike force of nozzle target

表8 噴嘴出口處的質(zhì)量流量Tab.8 Mass flow at nozzle outlet

對比原噴嘴結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后噴嘴結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后的噴嘴在相同的入口壓力條件下，射流速度更大，在打擊力提高的情況下，流量也有一定的減小，打擊力相較原結(jié)構(gòu)提升了13.5%，流量相較原結(jié)構(gòu)減小了3.7%，作業(yè)效率和清洗效率都有了一定的提升。

4 結(jié)論

文中以某重工所生產(chǎn)的系列洗掃車上水力系統(tǒng)的執(zhí)行元件——扇形噴嘴為研究對象，運用正交試驗法進行多目標優(yōu)化設(shè)計，研究了某型號扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對其射流性能的影響，提出了一套系統(tǒng)研究扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的分析設(shè)計方法。本文對收縮段角度、相貫深度和出口擴張角3個扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)相貫深度對打擊力和流量影響最大。根據(jù)綜合平衡法的原則，以打擊力優(yōu)先考慮的因素，通過正交試驗設(shè)計得出，當收縮段角度是30°、相貫深度為0.60 mm，出口擴張角為45°時可獲得最佳的打擊力，且質(zhì)量流量也在一定程度上有所減小。仿真分析結(jié)果驗證了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的有效性。該方法也為洗掃車其他型號噴嘴的優(yōu)化設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。