基于整車CFD的純電動洗掃車風機工作轉速設計

摘要：風機是洗掃車的關鍵部件之一，其選型和工作轉速的設定對洗掃車的吸塵能力有著決定性的作用。運用CFD方法對4.5 t純電動洗掃車整車的氣力輸送系統進行仿真分析，通過風機不同工作轉速下的塵粒起動速度、塵粒懸浮速度和風機功率3個核心指標進行整車性能匹配，確定了強掃、標掃和保潔3種工作模式的經濟工作轉速。實車路面試掃的效果表明3種工作模式下清潔效果均達到預期。本風機的工作速度設計方法可作為同類洗掃車的設計參考。

關鍵詞：洗掃車CFD；風機；氣力輸送系統

中圖分類號：U469.72 收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.013

1 前言

純電動洗掃車以純電動汽車二類底盤為基礎，加裝副車架、箱體、清掃裝置、吸塵系統、風機、液壓系統等而成。氣力輸送系統作為洗掃車的核心系統，主要部件包括清掃系統、風機、吸嘴、箱體、風道和除塵裝置等，其工作原理是，風機高速旋轉產生負壓，通過風道、箱體傳遞到吸盤上，實現對路面垃圾的吸拾作業。風機動力取自底盤動力電池，其能耗約占整車能量消耗的50%，很大程度上決定了整車工作時長。氣力系統風機選型和工作轉速設定，具有一定的社會效益和經濟效益。

對于洗掃車的氣力輸送系統，國內學者開展了廣泛的研究，文獻[1-6]建立吸嘴局部流場分析模型，對吸嘴結構樣式進行了研究，從反吹口、傾斜角、吸塵口布置、吸盤高度、管道尺寸等方面提高吸拾性能。文獻[7-9]則建立整車內流場分析模型，對洗掃車氣力輸送系統進行了分析，通過對箱體結構優化降低系統阻力。文獻[10]則建立了整車外流場分析模型，考慮了外界環境、車身結構、盤刷裝置等對氣力輸送系統流場產生的影響。本文在前人研究的基礎上，對某4.5 t純電動洗掃車建立整車內流場分析模型，將氣力輸送系統分析結果應用在風機的設計上。通過風機不同工作轉速下的塵粒起動速度、塵粒懸浮速度和風機功率三個核心指標進行整車性能匹配，確定了強掃、標掃和保潔三種工作模式的工作轉速。

2 理論基礎

2.1 流體仿真控制方程

洗掃車工作時，垃圾和塵粒從吸塵管道吸入箱體集塵，氣體通過排氣口排入大氣，氣力輸送系統的流場分析應遵循連續性方程、動量方程和能量方程。

a.連續性方程。

單位時間內控制體內質量的減少等于流出該控制體的質量，由質量守恒定律推導而來：

式中，[ρ]為流體密度；[v]為速度矢量；t為時間。

b.動量方程。

控制體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用于該控制體上各種力之和，由牛頓第二定律推導而來：

式中，方程中第一項為慣性力；第二項為體積力；第三項為體積力；第四、五項為粘性力。

c.能量方程。

控制體內能量的增加率等于進入控制體的凈熱量加上體積力與表面積對控制體所做的功，由能量守恒定律推導而來：

式中，方程第一項為內能；第二項為動能；第三項為體積力功；第四、五項為表面力功；第六項為換熱功。

2.2 塵粒運動與氣流速度的關系

塵粒的起動速度是指能使塵粒開始產生滾動或滑動的最小氣流速度。塵粒的懸浮速度是指使塵粒在垂直管路中保持在一定的高度，或在一定的高度位置上成擺動狀態的氣流速度。塵粒的起動速度和懸浮速度是洗掃車氣力輸送系統的重要設計依據：要求吸嘴進風口速度不小于塵粒起動速度以使塵粒開始運動，當塵粒進入吸嘴與垃圾箱之間的管路內，要求管路內的氣流速度應不小于塵粒的懸浮速度以使塵粒吸入垃圾箱。根據文獻[11-15]的研究。

a.單個塵粒的起動速度v1：

b.塵粒的懸浮速度v2：

式中，[μ]為塵粒與管道的摩擦因數；[CD]為總阻力系數；[CL]為升力系數；[ρC]為塵粒真密度，kg/m3；[ρ]為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；V為塵粒體積，m3；A為塵粒迎面面積，m2；d為塵粒直徑，m。

取塵粒密度[ρC]=2 650 kg/m3，根據式（4）、式（5），并參考文獻[11-15]的數據，不同粒徑的球形塵粒，其起動速度和懸浮速度見表1。隨著粒徑減小，起動速度和懸浮速度均單調減小。

3 整車流場分析

3.1 分析模型

整車流場分析的簡化模型如圖1所示，吸嘴底面離地高度10 mm，箱體內流道保留，小于3 mm的臺階及小于5 mm的圓角作了簡化。風機室前方的濾網是由[?]1.5 mm的金屬絲編織的方格，邊距10 mm，對整車空氣流量的影響不足1%，不予考慮。風機為9-26-5.8#離心風機，葉輪外徑603 mm，共20片后向式長短葉片間隔布置。

除進氣口、排氣口及交界面外的表面上均創建邊界層。工作介質為空氣，風機最高轉速為2 600 r/min，葉尖線速度為82.09 m/s，目標y+值200，經計算目標邊界層首層厚度2.032 mm，模型中首層邊界層厚度設置為2 mm，增長率1.2，邊界層5層。除邊界層外，流體域劃分為四面體網格，網格數量394.4萬，網格經過光順處理，質量指標見表2，已經過網格無關性驗證。

3.2 求解設置

在工程應用中，一般認為馬赫數ma<0.2為低速流動，根據葉尖線速度空氣為不可壓縮氣體，故采用壓力基穩態求解算法。湍流模型選擇Realizable K-e，近壁面處理采用standard wall treatment方法。風機高速旋轉，屬于旋轉流場問題，采用多參考系模型（MRF），湍動能、耗散率、動量方程采用二階迎風格式，壓力-速度耦合關系采用coupled 算法，計算殘差為1×10-5。

工作介質為空氣，在標準大氣壓下常溫時密度ρ=1.225 kg/m3，動力黏度μ=17.894 g/s。

邊界條件為：進氣擴展區設置為pressure-inlet，表總壓0Pa，湍流強度比5%，湍流黏度比10。排氣口設置為pressure-outlet，表壓0 Pa，湍流強度比5%，湍流黏度比10。系統參考壓力101 325 Pa，不考慮溫度的變化。

3.3 流場分析結果與應用

模擬分析風機轉速1 800～2 600 r/min的整車的氣力性能，計算過程監測進氣口、排氣口質量流量及風機力矩。以2 400 r/min為例，迭代3 500步后，進氣口、排氣口流量和風機力矩均已收斂，見圖2。整車速度流線圖見圖3，箱內氣流有4處大的旋流。

風機在各轉速下的氣力屬性整理見表3，表中風機凈功率P由轉速n和風機力矩Me推導而來，[P=Men9 550]。吸管內平均流速和靜壓的測量平面位置見圖4。

組合表1和表3，可得風機在不同轉速下可吸拾粒徑及對應的風機凈功率，見表4。根據純電動洗掃車工作區域目標地面的垃圾情況，綜合考慮底盤電池電量、整車工作時長等因素，匹配強掃檔風機轉速2 400 r/min、標掃檔風機轉速2 300 r/min及保潔檔風機轉速2 100 r/min。

4 整車試驗驗證

4.1 吸管內風速、靜壓驗證

試制樣車在靜止狀態，調整吸嘴底面離地高度10 mm，按圖4位置在吸管中心安裝全壓測試儀（上海雷若儀表科技有限公司生產，RE-1211型，風壓量程±8 kPa，精度±1.5%，風速量程1.2-100 m/s，精度±2%）配L形皮托管測量吸管內風速和靜壓。在強掃檔風機轉速2 400 r/min工作穩定時測量，試驗現場圖片見圖5，測得數據與理論分析數據對比見表5，偏差不超過15%，數據吻合較好。

4.2 吸拾效果驗證

吸拾效果以洗掃凈率評價，按最新的行業團體標準T/STACAES 005-2021《環衛保潔車輛洗掃車》規定的試驗方法進行試驗，垃圾試樣分布見表6，包括等效粒徑15～25 mm的卵石。圖6 為作業前水泥路面垃圾鋪設情況，作業速度7 km/h，風機以強掃檔工作轉速2 400 r/min工作。圖7為作業后路面垃圾殘余情況，卵石已盡數吸走，三次試驗的平均洗掃凈率為95%，清潔效果達到預期。

5 結語

本文通過4.5 t純電動洗掃車整車氣力系統的CFD分析，獲得了不同風機轉速下的地面進風口風速和吸管內的平均風速的理論數值，將其與塵粒起動速度和塵粒懸浮速度對應，用作垃圾吸拾能力的主要設計參數。再根據整車匹配的風機功率設計了洗掃車3種擋位的工作轉速。試驗結果表明，整車的垃圾吸拾效果達到使用要求，CFD理論分析的吸管中心風速、風壓數據與試驗結果偏差不超過15%，數據吻合較好。本文的風機工作速度設計方法，對于其他類似車型風機設計與選型具有較強的參考意義。

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作者簡介：

彭燕華，男，1981年生，工程師，研究方向為環衛汽車設計與優化。