覃先云++肖慶麟++伍乾坤++周楓林++徐浩

摘要： 應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)的kε湍流模型和離散相模型對(duì)掃路車吸嘴內(nèi)腔氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，研究補(bǔ)氣孔對(duì)吸嘴吸塵性能的影響.模擬結(jié)果表明：從補(bǔ)氣孔進(jìn)入高速氣流可以明顯加強(qiáng)吸嘴內(nèi)腔靠近路面處氣流強(qiáng)度和吸管底部上升氣流強(qiáng)度，有利于塵粒揚(yáng)起和提升并進(jìn)入吸管.單個(gè)塵粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤表明補(bǔ)氣孔產(chǎn)生的氣流能使塵粒在吸嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)更順暢.塵粒軌跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：補(bǔ)氣孔極大降低塵粒在吸嘴內(nèi)滯留的比例和平均停留時(shí)間，顯著提高吸嘴吸拾塵粒能力.

關(guān)鍵詞： 掃路車； 吸嘴； 補(bǔ)氣孔； 吸塵性能； 氣固兩相流； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TH412文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

高速公路及城市硬化路面的迅速增長(zhǎng)，需要投入更多的掃路車進(jìn)行清掃保潔作業(yè).掃路車的氣路系統(tǒng)是決定作業(yè)性能的核心部分，其主要由風(fēng)機(jī)、吸塵部分（主要包括吸嘴和吸管）和除塵部分組成.為提高吸塵效率，通常需提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或選用更大型號(hào)風(fēng)機(jī)增大風(fēng)量和風(fēng)壓，但同時(shí)作業(yè)能耗和噪聲迅速增加.[1]因此，研究吸嘴的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素對(duì)其吸塵性能的影響特點(diǎn)，用于指導(dǎo)吸嘴改進(jìn)設(shè)計(jì)，在不改變風(fēng)機(jī)的前提下提高吸塵效率具有重要意義.

為提高吸嘴吸塵效率，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展有價(jià)值的研究.陳忠基等[1]利用試驗(yàn)裝置對(duì)吸嘴的吸塵能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)吸嘴空腔結(jié)構(gòu)改變和離地高度變化對(duì)其吸塵能力有重要影響.歐陽智江等[2]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)研究導(dǎo)流式的卷邊結(jié)構(gòu)對(duì)吸嘴進(jìn)入氣流的影響.曾廣銀等[3]和徐云等[4]通過CFD仿真分析對(duì)吸塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).朱伏龍等[5]對(duì)純吸式掃路車吸嘴進(jìn)行流場(chǎng)模擬和優(yōu)化.姜兆文等[6]對(duì)掃路車不同吸嘴流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析.臺(tái)冰豐等[7]借助CFD技術(shù)優(yōu)化吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).上述仿真分析主要側(cè)重于優(yōu)化吸嘴內(nèi)部氣流流場(chǎng)，缺乏研究吸嘴內(nèi)部流場(chǎng)特征與吸拾塵粒性能之間的關(guān)系，具有一定的局限性.WU等[8]對(duì)純吸式真空掃路車吸嘴內(nèi)腔進(jìn)行局部改進(jìn)，并通過數(shù)值方法研究改進(jìn)部分對(duì)吸嘴內(nèi)部流場(chǎng)和吸塵性能的影響特點(diǎn).

本文通過實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)在吸嘴上設(shè)計(jì)合理的補(bǔ)氣孔可以有效提高吸塵效率.采用補(bǔ)氣孔這一新設(shè)計(jì)思路提高吸嘴吸塵能力，不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法.傳統(tǒng)方法一直認(rèn)為在吸嘴上開孔會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)腔負(fù)壓降低且分布方式發(fā)生改變，不利于實(shí)現(xiàn)真空吸塵.為探究補(bǔ)氣孔對(duì)吸嘴吸塵性能的影響機(jī)理，利用CFD方法對(duì)吸嘴內(nèi)腔氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬分析.采用可實(shí)現(xiàn)的kε湍流模型[910]模擬吸嘴內(nèi)腔氣流場(chǎng)，分析從補(bǔ)氣孔進(jìn)入的氣流對(duì)整個(gè)內(nèi)腔氣流場(chǎng)的影響.利用離散相模型[1013]對(duì)塵粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤，通過對(duì)比分析有無補(bǔ)氣孔時(shí)塵粒的運(yùn)動(dòng)特征，研究補(bǔ)氣孔對(duì)吸塵性能的影響機(jī)理.

1數(shù)學(xué)模型

1.1氣流湍流模型

吸嘴內(nèi)腔連續(xù)流動(dòng)的氣體可視為定常、恒溫和不可壓縮氣相，采用時(shí)均形式的NS方程求解.為較好地反映吸嘴內(nèi)腔強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)式氣流的湍流程度，采用由SHIH等[9]提出的可實(shí)現(xiàn)的kε模型計(jì)算.在時(shí)均應(yīng)變率特別大的情況下，標(biāo)準(zhǔn)kε模型可能導(dǎo)致負(fù)的正應(yīng)力.為使流動(dòng)符合湍流的物理定律，需要對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)約束.為保證這種約束的實(shí)現(xiàn)，需使湍流動(dòng)能黏度計(jì)算式中的系數(shù)Cu與應(yīng)變率聯(lián)系起來，不再為常數(shù).可實(shí)現(xiàn)的kε模型關(guān)于k和ε的輸送方程[910]如下.

湍流動(dòng)能k方程

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μtσkkxj+Gk-ρε（1）

湍流動(dòng)能耗散率ε方程

（ρε）t+（ρεui）xi=xjμ+μtσεεxj+ρC1Eε-ρC2ε2k+vε（2）

式中：ui為平均速度分量；xi為坐標(biāo)變量；ρ為流體密度；v為運(yùn)動(dòng)黏度；E為時(shí)均應(yīng)變率；σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9；C1=max0.43， η/（η+5）；η=k2EijEij/ε；Eij=12uixj+ujxi；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gk=μtuixj+ujxiuixj（3）式中：μt為湍動(dòng)黏度，μt=ρCμkε（4）式中：Cμ=1/（A0+ASU*k/ε），其中，A0=4.0，AS=6cos φ，φ=1/3cos 6W，W=EijEjkEkjEijEij12，Eij=12uixj+ujxi；U*=EijEij+Ω～ijΩ～ij，其中，Ω～ij=Ωij-2εijkωk，Ωij=Ω～ij-εijkωk.Ω～ij是從角速度ωk的參考系中得到的時(shí)均轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速?gòu)埩糠至浚@然，對(duì)于無旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，U*式中的第2項(xiàng)為零，這一項(xiàng)專門用來表示旋轉(zhuǎn)的影響，是本模型區(qū)分于標(biāo)準(zhǔn)kε模型的主要特點(diǎn)之一.

1.2塵粒運(yùn)動(dòng)模型

利用基于EulerLagrange方法的離散相模擬塵粒在吸嘴內(nèi)腔氣流中的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析補(bǔ)氣孔對(duì)吸嘴吸拾塵粒過程的影響.單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過對(duì)粒子的受力平衡方程的積分計(jì)算得到.考慮氣流對(duì)粒子的黏性曳力和提升力以及自身的重力，粒子受力平衡方程 [8， 1013]可表示為mpdupdt=FD+Fg+Fs（5）式中：FD為流體對(duì)粒子的黏性曳力；Fg為重力；Fs為流體對(duì)粒子的提升力；mp為粒子質(zhì)量；up為粒子速度.

黏性曳力計(jì)算公式[12]為FD=18μρpd2p CDRep24mp（u-up）（6）式中：μ為流體黏性；ρp和dp分別為粒子密度和直徑；CD為氣流曳力系數(shù)（具體計(jì)算見文獻(xiàn)[13]）；Rep為粒子雷諾數(shù)；u為氣流速度，Rep=|ρ||u-up|dpμ（7）粒子所受重力Fg=mp（1-ρ/ρp）g（9）式中：g為重力加速度.

SAFFMAN等[14]提出流體對(duì)粒子的提升力Fs=2Κν1/2ρdijρpdp（dlkdkl）1/4（u-up）（10）式中：K為常數(shù)，取2.594；ν為運(yùn)動(dòng)黏度；dij，dlk和dkl為變形張量分量.

2數(shù)值模擬

2.1網(wǎng)格劃分

掃路車吸嘴簡(jiǎn)化模型見圖1.補(bǔ)氣孔位于吸嘴頂板前部且與內(nèi)腔連通.吸嘴內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算的網(wǎng)格模型見圖2，由GAMBIT前處理軟件劃分為705 324個(gè)四面體單元.網(wǎng)格經(jīng)光順等處理，質(zhì)量滿足計(jì)算要求.圖中吸嘴外圍延伸部分為附加的空氣域，與大氣連通，氣流從該域的四周和頂部表面進(jìn)入.

圖 1掃路車吸嘴簡(jiǎn)化模型

Fig.1Simplified model of suction mouth of road sweeper

2.2邊界條件

附加空氣域表面設(shè)置為氣相壓力進(jìn)口邊界，其壓力大小為1個(gè)大氣壓，相對(duì)壓力取0.與吸嘴內(nèi)腔連通的吸管出口表面設(shè)置為壓力出口邊界，其壓力大小由掃路車作業(yè)時(shí)測(cè)試得到，取-6 500 Pa.吸嘴內(nèi)腔壁面設(shè)置為運(yùn)動(dòng)壁面，以模擬吸嘴向前移動(dòng)作業(yè)，其運(yùn)動(dòng)速度等于作業(yè)車速，本次計(jì)算取10 km/h.網(wǎng)格模型底部平面為靜止壁面，表示路面.

圖 2吸嘴網(wǎng)格模型

Fig.2Mesh model of suction mouth

計(jì)算所用的塵粒分布數(shù)據(jù)由掃路車試驗(yàn)用塵粒測(cè)試得到，不同粒徑范圍的塵粒所占的質(zhì)量百分比見表1.

表 1計(jì)算采用的塵粒直徑和質(zhì)量百分比

Tab.1Dust particle diameter and mass percentage for

computation直徑/mm質(zhì)量百分比/%0～0.20.50.2～0.56.50.5～1.015.01.0～1.530.0直徑/mm質(zhì)量百分比/%1.5～2.035.02.0～2.59.02.5～3.01.03.0～3.51.0

利用RosinRammler方程表達(dá)塵粒分布特征為R（d）=exp（-（d/d-）n）（11）式中：d為粒子直徑；d-粒子平均直徑；R（d）為直徑大于d的粒子質(zhì)量比例；n表示分布特征參數(shù).根據(jù)相關(guān)公式可計(jì)算出d-為1.686 mm，n為2.82.

在實(shí)際路面吸拾塵粒試驗(yàn)中，觀察到塵粒在距吸嘴前擋板30 mm處開始運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)入到吸嘴內(nèi)腔.因此，模擬塵粒分布區(qū)域設(shè)置在距吸嘴前端面30 mm處的塵粒入射平面，見圖2.在入射面上的塵粒的分布密度設(shè)定為250 g/m2，該值與路面中等污染的垃圾量接近.塵粒密度為2 560 kg/m3，形狀參數(shù)φ取0.8.φ的定義為φ=S1S2（12）式中：S1為與不規(guī)則形狀粒子質(zhì)量和密度相等的球體表面積；S2為粒子的實(shí)際表面積.塵粒與吸嘴內(nèi)壁設(shè)置為彈性碰撞，壁面法向和切向的動(dòng)量傳遞因數(shù)分別為0.9和0.8.

2.3求解

應(yīng)用FLUENT 12.0中的有限體積法數(shù)值離散氣流的控制方程，對(duì)流項(xiàng)為2階迎風(fēng)差分格式，采用Simplec算法求解.由于塵粒占整個(gè)氣流的體積分?jǐn)?shù)較?。?lt;1%），可作為稀相流處理，求解過程不考慮塵粒與氣流之間的相互作用.利用離散隨機(jī)軌道模型模擬氣流湍流脈動(dòng)對(duì)塵粒運(yùn)動(dòng)的影響.[8]

利用出口邊界塵粒流量與入射面塵粒流量百分比，作為評(píng)估吸嘴吸拾塵粒性能的主要參數(shù)指標(biāo)，則吸拾效率η可表示為η=Q2Q1×100%（13）式中：Q1和Q2分別為入射面塵粒的流量和出口邊界塵粒流量.

當(dāng)塵粒運(yùn)動(dòng)到壓力出口邊界時(shí)，表示塵粒被吸收；當(dāng)塵粒運(yùn)動(dòng)到壓力進(jìn)口邊界時(shí)，表示塵粒逃逸到吸嘴內(nèi)腔外；當(dāng)在指定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)塵粒沒有運(yùn)動(dòng)到壓力出口和進(jìn)口邊界時(shí)，表示塵粒殘留在吸嘴內(nèi)腔內(nèi)，沒有被有效吸拾.

3模擬結(jié)果和分析

3.1內(nèi)腔氣流場(chǎng)

為便于分析補(bǔ)氣孔對(duì)吸嘴內(nèi)腔流場(chǎng)的影響，取位于補(bǔ)氣孔處距吸嘴中截面45 mm處的截面流場(chǎng)為分析對(duì)象.截面氣流流線見圖3.從圖3a看出，外部氣流從補(bǔ)氣孔進(jìn)入內(nèi)腔后，集中形成一股幾乎垂直于路面方向運(yùn)動(dòng)的氣流，沖擊路面后沿水平方向高速運(yùn)動(dòng)一段距離，再上升進(jìn)入吸管.結(jié)合圖3b，對(duì)比兩者的流線明顯可以看出，增加補(bǔ)氣孔使沿近路面水平方向的氣流（圖中的A區(qū)）和吸管底部的上升氣流（圖中的B區(qū)）強(qiáng)度均增加.沿近路面的氣流強(qiáng)度增加，有利于將塵粒從路面揚(yáng)起并向吸管處運(yùn)動(dòng).吸管底部的上升氣流強(qiáng)度增加，有利于將從四周匯聚的塵粒提升進(jìn)入吸管.另外，從補(bǔ)氣孔進(jìn)入的氣流直接沖擊路面，有利將位于路面凹陷孔洞內(nèi)的塵粒吹起被后續(xù)吸拾，從而提高實(shí)際路面的吸塵效率.截面的靜壓分布云圖見圖4.由此可知：補(bǔ)氣對(duì)吸嘴吸附內(nèi)腔的靜壓分布影響較小，但可以改善吸管口處的靜壓分布.有補(bǔ)氣孔時(shí)局部低負(fù)壓區(qū)明顯減少，見圖4a圓圈標(biāo)記處.利用FLUENT后處理功能得到無補(bǔ)氣孔的吸嘴出口流量和壓力損失分別為4 550 L/h和5 023 Pa，有補(bǔ)氣孔吸嘴的出口流量和壓力損失分別為4 729 L/h和4 890 Pa.增加補(bǔ)氣孔后氣流阻力降低2.7%，出口流量增加3.9%，對(duì)吸嘴內(nèi)腔的氣流阻力和流量影響較小.設(shè)計(jì)合理過流面積的補(bǔ)氣孔，對(duì)吸嘴的阻力特性影響較小，不會(huì)造成流量增加過大而改變掃路車整個(gè)氣路系統(tǒng)作業(yè)特征，如改變風(fēng)機(jī)有效作業(yè)區(qū)間和增加能耗等.a）有補(bǔ)氣孔b）無補(bǔ)氣孔圖 3截面氣流流線

Fig.3Gas flow stream lines on section

a）有補(bǔ)氣孔b）無補(bǔ)氣孔

圖 4截面靜壓云圖

Fig.4Contours of static pressure on section3.2單個(gè)塵粒追蹤

追蹤不同直徑的塵粒在有無補(bǔ)氣孔的吸嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，比較分析補(bǔ)氣孔對(duì)塵粒運(yùn)動(dòng)的影響特點(diǎn).塵粒的直徑分別取0.05，0.20和0.75 mm.不同塵粒的入射位置相同，位于補(bǔ)氣孔位置的下方.塵粒入射初速度取0.不同直徑的塵粒在有補(bǔ)氣孔和無補(bǔ)氣孔吸嘴內(nèi)腔的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖5和6.對(duì)比塵粒軌跡，可以看出相同直徑的塵粒在有補(bǔ)氣孔的吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)較順暢.當(dāng)直徑為0.05和0.20 mm時(shí)，在有補(bǔ)氣孔吸嘴內(nèi)的塵粒從路面向吸管提升位置比無補(bǔ)氣孔的靠前.這主要是由于從補(bǔ)氣孔進(jìn)入的高速氣流產(chǎn)生的提升力和曳力促進(jìn)塵粒提升.當(dāng)直徑為0.75 mm時(shí)，塵粒在無補(bǔ)氣孔吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡比有補(bǔ)氣孔的復(fù)雜得多，反復(fù)與內(nèi)壁發(fā)展碰撞.從補(bǔ)氣孔進(jìn)入的氣流在吸管處匯聚上升，有利于阻止大直徑塵粒因慣性作用與吸管前部發(fā)生碰撞，并且使塵粒向上提升進(jìn)入吸管.

a）d=0.05 mmb）d=0.20 mmc）d=0.75 mm圖 5有補(bǔ)氣孔時(shí)不同直徑塵粒在吸嘴內(nèi)腔的運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.5Trajectories of dust particles with different diameters in suction mouth with gas supplement hole

a）d=0.05 mmb）d=0.20 mmc）d=0.75 mm圖 6無補(bǔ)氣孔時(shí)不同直徑塵粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.6Trajectories of dust particles with different diameters in suction mouth without gas supplement hole

不同直徑塵粒在吸嘴內(nèi)的停留時(shí)間見表2.隨著粒子直徑的增大，停留時(shí)間均增加.相同直徑的塵粒在有補(bǔ)氣孔的吸嘴內(nèi)停留時(shí)間明顯小于無補(bǔ)氣孔吸嘴的，說明設(shè)計(jì)補(bǔ)氣孔后塵粒在吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)更順暢，可以更快進(jìn)入吸管被吸收.

表 2不同直徑塵粒在吸嘴內(nèi)的停留時(shí)間

Tab.2Residence time of dust particles with

different diameters in suction mouth粒子直徑/mm0.050.200.75有補(bǔ)氣孔停留時(shí)間/s0.0210.0380.062無補(bǔ)氣孔停留時(shí)間/s0.0280.0760.131

3.3塵粒運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析

本文第2.2節(jié)中描述的入射塵粒在有無補(bǔ)氣孔的吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)追蹤軌跡見圖7.通過比較發(fā)現(xiàn)，塵粒在兩吸嘴內(nèi)的總體運(yùn)動(dòng)形式一致，但塵粒在有補(bǔ)氣孔的吸嘴內(nèi)停留時(shí)間更短.塵粒在不同吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)追蹤結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值見表3.有補(bǔ)氣孔吸嘴的吸拾塵粒效率為86.24%，比無補(bǔ)氣孔吸嘴的吸拾效率提高12.62%.塵粒在有補(bǔ)氣孔吸嘴的平均停留時(shí)間為0.72 s，比無補(bǔ)氣孔的降低0.21 s，說明塵粒在有補(bǔ)氣孔吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)更順暢.塵粒在無補(bǔ)氣孔吸嘴滯留百分比達(dá)25.08%，設(shè)計(jì)補(bǔ)氣孔后滯留百分比降低到12.94%.表3中的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值充分表明補(bǔ)氣孔可以顯著提高吸嘴吸塵性能.a）有補(bǔ)氣孔b）無補(bǔ)氣孔

圖 7塵粒在吸嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.7Trajectories of dust particles in suction mouth

表 3改進(jìn)吸嘴與傳統(tǒng)吸嘴吸塵性能比較

Tab.3Comparison of dust suction performance between improved and traditional suction mouths性能參數(shù)無補(bǔ)氣孔吸嘴有補(bǔ)氣孔吸嘴吸拾效率/%73.6286.24塵粒停留平均時(shí)間/s0.930.72塵粒滯留質(zhì)量百分比/%25.0812.94塵粒逃逸質(zhì)量百分比/%1.300.824結(jié)論

應(yīng)用氣固兩相流理論數(shù)值研究補(bǔ)氣孔對(duì)掃路車吸嘴吸塵性能的影響及其機(jī)理，得到以下主要結(jié)論.

1）從補(bǔ)氣孔進(jìn)入的高速氣流可以提高近路面氣流和吸管底部上升氣流的強(qiáng)度，有利于提高吸塵能力.

2）單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)追蹤表明，補(bǔ)氣孔產(chǎn)生的氣流能使塵粒在吸嘴內(nèi)運(yùn)動(dòng)更順暢，被吸收的時(shí)間更短.

3）塵粒運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析表明，補(bǔ)氣孔可極大降低塵粒在吸嘴內(nèi)滯留比例和平均停留時(shí)間，塵粒吸拾效率由73.62%提高為86.24%.

4）本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)氣孔可使整個(gè)吸嘴的氣流阻力降低2.7%，出口流量增加3.9%，對(duì)阻力和流量影響較小.因此，設(shè)計(jì)合理大小和位置的補(bǔ)氣孔，不會(huì)導(dǎo)致流量增加過大而改變掃路車整個(gè)氣路系統(tǒng)原有有效工作區(qū)間.參考文獻(xiàn)：

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