基于清洗車的低壓水路管道特性分析

中圖分類號：U469 收稿日期：2025-03-20 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.018

Abstract：Thelow-pressrewaterwaycleaningfunctionisthemainfunctionofthecleaningvehicle.Thepipecharacteristicsisone oftheimportantfactorsectingtheeficiencyoftelow-presurewateraycleaningfunctionTispapertakesacertainOtpureelec triccleaningvicleasteresearchject，analyzstepipechracteristisofteow-presureaterwayuckbillfunctionandfinds theactualworkingpointthatmeets teduckbillwokingconditionrequirements.AndbyusingtheCFaalysismethod，thesistance curveoftheduckbillpipeissimulatedandanalyzed.Troughthecombinationoftheoreticalanalysisandactualworkingconditiosthe simulatinanalysis methodisfurtherverified.Theresultsshowthroughtheanalysisofpipecharacteristics，theappropriateworking speed can be set to achieve energy-saving indicators.

Key words：Characteristics oflow pressure waterway pipelines;Performance indicators;Simulationanalysis

1前言

清洗車低壓水路系統主要由低壓水泵、管道、氣動截止閥、各類噴嘴等組成[1]。整車總布置時，對低壓水路的噴嘴一般按照其功能要求來布置基本固定的安裝位置，如鴨嘴因為要用大流量水沖洗路面，將垃圾和臟水趕至路面和下水道，所以一般布置在車輛駕駛室前部，方便駕駛員查看工作狀態；灑水嘴因為要對完整路面進行灑水降塵，不能有遮擋，一般布置在車輛后部；水炮因環衛工手動操作，一般放置在整車后部工作臺處[2-4]。

在水泵型號及噴嘴布置位置基本確定的情況下，要滿足清洗車沖洗寬度這一重要的性能參數，管道的布置和水泵實際工作點的獲取就尤為重要[5-6]。匹配合適的管道通徑及走管方向，能減少整個管路的能量損失，水泵實際工作點的獲取能在較低轉速下獲得目標沖洗寬度值，從而更節能。研究表明，管路性能曲線不變的情況下，降低水泵轉速比用節流閥減少流量，軸功率更低，從而更節能[7-8]

本文研究的主要內容就是通過獲取清洗車的低壓水路鴨嘴功能管道特性，確定滿足技術參數目標時最優轉速，以實現節能節水目的。

以某12t純電動清洗車為例展開研究，項目指標要求鴨嘴清洗寬度達到 10m ，并且在滿足此性能要求下，雙鴨嘴模式功率小于 15kW 。

2理論分析

2.1管路布局

管路布局最重要的是要最大程度降低因管路布置造成的能量損失，減少管道阻力[9-10]。整個管路的能量損失等于各管段的沿程損失和各局部損失的總和，沿程壓力損失和局部壓力損失計算公式如下。

沿程壓力損失計算公式：

式中， h_f 為沿程壓力損失， m;λ 為沿程阻力系數； L 為管道長度， m;d 為管道半徑， m;V₁ 為管內液體平均流速， m/s;g 為重力加速度， 9.8m/s² 。

局部壓力損失計算公式：

式中， h_i 為局部壓力損失， m;ξ 為局部阻力系數； V₂ 為局

部液體流速， m/s 。

管道流速計算公式：

式中， V₀ 為管道流速， m/s;Q 為水泵輸出的實際流量，L/min;A 為噴頭出口處的面積， m² 。

由式（1）式（2）式（3）可以看出，管道 L 越短，沿程壓力損失越小，管道內徑 d 越大，沿程壓力損失越小；流速越快，局部壓力損失越大，截面越小，局部壓力損失越大，所以管道布局時管道長度不宜過長、管道內徑盡量大，避免急轉彎及管道中間急變徑。根據這一原則進行管道布局，參數如表1所示。

2.2鴨嘴功能需求流量計算

2.2.1計算噴嘴出口初速度 V₀

如圖1所示，正常工作情況下，水流從噴嘴流出，水流方向應該是 _ABC ，因 B 點沖擊速度不好得出，因此將噴嘴調節成與地面平行狀態進行計算，即出口水流切線方向與水流方向的夾角 θ=0^° ，噴射長度 L₄=6.499m 。

沖洗寬度的計算公式：

將 θ=0^° 代入式（4），可計算出噴嘴出口初速度 V₀

2.2.2噴嘴流量計算

噴嘴流量 Q₁ 的計算公式為：

Q_?1=1000×60AV_?0

根據式（6）可計算出單個噴嘴流量 Q₁ ，雙噴嘴流量可近似按照兩倍的關系處理，故此時可計算出鴨嘴實際工作點流量 Q=2Q₁ 。

2.3鴨嘴功能實際需求揚程

2.3.1計算管道流速

管道流速公式：

A₁=πr²

上式中分別代人主管道和分支管道的半徑參數，即可計算得主管道流速V和分支管道流速V分。

2.3.2計算雷諾數

雷諾數計算公式：

20^° 時水的運動黏度 u=1.006×10^-6m²/s ，同時代人主管道和分管道的直徑參數，可計算得主管道雷諾數 Re_Φ± =173296 ，分支管道雷諾數 。

由此可看出雷諾數大于2000，故水管中水流為紊流，符合實際工況。

2.3.3計算沿程阻力系數

因為雷諾數 Relt;10⁵ ，可用布拉修斯公式計算沿程阻力系數：

通過計算，主管道沿程阻力系數 λ_±=0.0155 ，分支沿程阻力系數 λΩ_λ5=0.0173 。

2.3.4計算沿程壓力損失

根據沿程阻力系數，根據式（1）可計算得主管道沿 程壓力損失 和分支管道沿程壓力損失 ，從而可 得沿程壓力損失Σh=hf+2hf分

2.3.5計算局部壓力損失

根據式（2），局部阻力系數 ξ 取1.1，可計算得主管道局部壓力損失 h_i± 和分支管局部壓力損失 h_iΨ_N ，從而

可得局部壓力損失Σhi=hi注+2hi分°

2.3.6計算噴嘴進口水壓頭

噴嘴進出水壓頭 的計算公式：

根據式（5）中 V₀ 的計算結果，代入上式可計算出噴嘴進出水壓頭H水壓頭°

2.3.7計算需求揚程

揚程的計算公式：

結合噴嘴安裝位置與泵軸線的高度差 h_c ，計算需求揚程值。

2.4繪制管道特性曲線

通過2.3部分計算過程，改變流量這一變量參數，可以繪制出鴨嘴管道特性曲線，如圖2中綠色線條所示。結合水泵的流量-揚程曲線，如圖2中藍色線條所示。兩條曲線相交的A點為鴨嘴沖洗實際工作點。通過A點可讀出此時水泵的流量、揚程、效率及軸功率等參數。

3仿真分析

以CFD分析手段，計算嘴管道阻力曲線，本文采用simplic耦合算法。仿真鴨嘴在進口流量范圍為 0～ 39.6m³/h 時對應管道阻力曲線，流場出口采用壓力出口，出口通大氣，相關參數設置見表2。

按照該 12t 純電動清洗車管道布局建模，VOF雙相流，主相為空氣，次相為水，管道布局如圖3所示。模型采用多邊形網格，網格數量及網格質量滿足計算要求，收斂計算所有殘差下降5個數量級收斂，結果如圖4所示。流場體速度流線圖和流場速度矢量圖分別如圖5、圖6所示。

仿真分析后的流量-阻力曲線如圖7所示，其中橫坐標為流量，縱坐標為揚程1（水泵轉速為 3900r/min ）、效率、軸功率和對沖管阻。

根據圖7可知，理論計算與流體分析管道特性阻力曲線基本一致，由此證明理論計算與仿真分析可行，為進一步驗證，后續將在實車上測算數據。

4實車驗證

實車參數表見表3，鴨嘴進口壓力圖見圖8。

仿真分析結果與實際測量結果的對比見表4，可以看出兩者結果準確率為 96.51% ，證明仿真分析方法有效，而上文已分析理論計算結果與仿真分析一致，所以可以進一步用理論方法分析節能效果。

水泵電機組性能降速曲線如圖9所示，其中額定工況點為A點轉速 3900r/min 降至 B 點 3000r/min ，其中揚程1和揚程2對應的水泵轉速分別為 3900r/min 和 3000r/min ，相關參數對比如表5所示。

從表5可以看出，在滿足使用工況的前提下，降低轉速，流量降低 25% ，軸功率降低 34% ，可達到節水節能的目的。

實車效果：在轉速 3000r/min 的時候，前鴨嘴沖洗寬度 15m ，功率 7.5kW ，符合目標設計參數。

5結語

本文通過分析某 12t 純電動清洗車的低壓水路鴨嘴功能管道特性，找到滿足鴨嘴工況要求的實際工作點，并以CFD分析手段可得出以下結論：

a.管道布局合理、管徑參數合適，沿程阻力及局部阻力小。

b.通過理論分析管道特性及CAE分析管道阻力來優化管道布局，能計算出既有管道各功能模塊實際工作點，設定合理的轉速參數，平衡各功能需求與水流覆蓋范圍，確保清潔質量的同時減少功率輸出及用水量，滿足節能需求。

c.可以用仿真試驗指導低壓水路設計計算，VOF雙向流對噴嘴類零部件的仿真適用度較高。

通過局部研究環衛車低壓水路管道特性，不僅能實現單車的節能降耗，還可以推動行業向精細化、綠色化轉型，逐漸從“高能耗粗放模式\"向“精細化綠色研究\"邁進。下一步研究可與智能化系統協同優化，實現多維度應用及提升。

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作者簡介：

胡堅華，女，1987年生，工程師，研究方向為清洗清掃類環衛車水路系統。