郭員暢，章易程，張鳴鳳，許彬，吳強運

地鐵軌間區(qū)域吹吸式清掃工作狀況的仿真研究

郭員暢1，章易程1，張鳴鳳2，許彬1，吳強運1

(1. 中南大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；2. 北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300)

為研究不同工作狀況對地鐵軌間區(qū)域吹吸式清掃性能的影響，采用計算流體力學的方法對吹吸式清掃流場進行仿真計算，結合氣固兩相流模型分析地鐵清掃車行駛速度對清掃性能的影響規(guī)律，并在此基礎上運用動網(wǎng)格技術，研究中心排水溝和應答器等道床設施對吹吸式清掃流場的影響。研究結果表明：地鐵清掃車工作時的行駛速度在不大于10 km/h范圍內(nèi)增大有利于提高清掃效率；中心排水溝的設置使得清掃流場的近地面平均速度和吸嘴出口平均速度減小，從而導致吹吸式清掃方式對中心排水溝的清掃性能降低；地鐵清掃車工作于設置有應答器的區(qū)域時，應答器與吹、吸嘴的相對位置會對清掃性能產(chǎn)生影響，且清掃性能在應答器的封閉角處明顯下降。

吹吸式清掃；工作狀況；軌間區(qū)域；計算流體力學；氣固兩相流；動網(wǎng)格技術

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，地鐵的運營里程不斷增加，對地鐵的運營環(huán)境也提出了更高的要求，由于特殊的工作環(huán)境，地鐵隧道內(nèi)粉塵等垃圾容易堆積，極大地影響行車與乘客的安全。因此，需要針對地鐵軌間區(qū)域的清掃方式進行專項研究，其中，真空吸塵系統(tǒng)便為地鐵軌道的清掃提供了有效的方式。在真空吸塵系統(tǒng)的研究中，WU等[1?4]國內(nèi)外學者針對單一吸塵口的結構參數(shù)和運行參數(shù)對清掃性能的影響進行研究。但是采用單一吸塵口的清掃方式，難以保證清掃效率。為此，部分學者提出了吹吸聯(lián)動組合的清掃方式，郭關柱[5]提出一種吹吸循環(huán)清掃裝置，并通過實驗發(fā)現(xiàn)吹嘴和吸嘴之間的射流角度為60°時清掃效果最好。張靈等[6?7]經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)吹吸風量、風速和風口距離、尺寸的最佳組合值，并提出一種改進的吹吸風口過度面為流線型曲面的方案。郗元等[8?9]分析了L型反吹式吸嘴的結構參數(shù)和清掃車的運行參數(shù)對清掃性能的影響。張鳴鳳等[10]提出了一種新型的針對地鐵軌間區(qū)域的吹吸式清掃，并通過仿真分析優(yōu)化了其結構參數(shù)。然而，上述研究并沒有考慮清掃環(huán)境對清掃性能的影響，同時，對新型吹吸式清掃，沒有研究如地鐵清掃車行駛速度等運行參數(shù)對清掃性能的影響。本文運用CFD數(shù)值仿真技術，針對新型的軌間區(qū)域吹吸式清掃，研究地鐵清掃車行駛速度對清掃性能的影響規(guī)律，并在此基礎上，分析如中心排水溝和應答器等主要地鐵道床設施對運動中的吹吸式清掃流場的影響，從而全方面分析工作狀況對清掃性能的影響結果。

1 物理模型與網(wǎng)格劃分

1.1 吹吸式地鐵軌間區(qū)域清掃方式

吹吸式地鐵軌間區(qū)域清掃方式結構如圖1所示，包括一組相對設置的吹嘴和吸嘴，其中，吹嘴的上端與地鐵清掃車的吹風裝置連接，吸嘴上端與地鐵清掃車的抽風裝置連接，來自吹風裝置的高速氣流經(jīng)吹嘴噴向地鐵軌道[11]之間的區(qū)域，將軌間區(qū)域內(nèi)的垃圾吹起，再由抽風裝置提供的負壓將垃圾隨氣流吸入吸嘴之中，吸入的垃圾最終進入地鐵清掃車的集塵裝置中[10, 12]。根據(jù)文獻[10]，為獲得較好的清掃效果，以優(yōu)化后的結構參數(shù)為研究對象，吹嘴和吸嘴的結構和位置參數(shù)如表1所示。

(a) 結構參數(shù)；(b) 位置參數(shù)

為了使得流場內(nèi)的氣體充分發(fā)展，讓計算結果更加準確，通常在計算流場的周圍添加適當?shù)臄U展域，使氣體的流動更符合實際情況[13]。其添加擴展域后模型如圖2所示。

圖2 流場計算域結構圖

表1 吹、吸嘴主要參數(shù)尺寸

吹吸式清掃的流場計算域關于軌道縱向中心面對稱，為了提高計算效率，取其一半的模型進行分析，由于其結構不規(guī)則，尤其是靠近軌道側處模型曲率較大，而非結構化網(wǎng)格可以更好地適應不規(guī)則模型區(qū)域，因此運用ANSYS Meshing網(wǎng)格劃分組件對模型進行四面體網(wǎng)格劃分，計算網(wǎng)格如圖3所示，其網(wǎng)格數(shù)為521 319，網(wǎng)格單元最大畸變度為0.846 65，平均畸變度為0.256 5，網(wǎng)格最大正交程度質(zhì)量為0.995 61，平均正交程度質(zhì)量為0.844 38，網(wǎng)格質(zhì)量符合仿真要求。

圖3 流場網(wǎng)格模型

1.2 中心排水溝模型

中心排水溝[14]的寬度為760 mm，深度為400 mm。為了研究吹嘴和吸嘴完全處于中心排水溝上方時清掃流場的特性，將中心排水溝的長度設置為1 000 mm，如圖4所示。為了便于仿真計算，將吹、吸嘴對于中心排水溝的相對運動轉變?yōu)橹行呐潘疁蠈τ诖怠⑽斓南鄬\動。因此，定義中心排水溝區(qū)域為運動域，并定義中心排水溝靠近吸嘴的一側端面為排水溝前端面，將排水溝前端面到吸嘴的距離定義為L，定義作業(yè)方向為負方向，同時，排水溝前端面剛好處于吸嘴下方時L定義為0。為了保證仿真結果更加符合實際情況，將吸嘴和吹嘴的下部擴展區(qū)繼續(xù)擴大。采用非結構化四面體網(wǎng)格進行劃分，為了便于顯示道床設施在清掃流場中的網(wǎng)格劃分，取其對稱面網(wǎng)格模型，如圖5所示，但是在仿真計算中采用的是全網(wǎng)格模型。

圖4 吹、吸嘴與中心排水溝的初始位置

圖5 含中心排水溝的流場網(wǎng)格模型

1.3 應答器模型

應答器[14]安裝于2軌道的中間，距離軌道側的距離為140 mm，長200 mm，寬390 mm，如圖6所示。同樣將應答器區(qū)域定義為運動域，并定義應答器靠近吸嘴的一側端面為應答器前端面。將應答器前端面到吸嘴的距離定義為L，將作業(yè)方向定義為負方向，同時，應答器前端面剛好處于吸嘴下方時L定義為0。采用非結構化四面體網(wǎng)格進行劃分，其網(wǎng)格模型如圖7所示。

圖6 吹、吸嘴與應答器的初始位置

圖7 含應答器的流場網(wǎng)格模型

2 數(shù)值計算方法

2.1 流場算法與邊界條件

吹嘴入口采用質(zhì)量流量入口，空氣流量值為4.6 kg/s。吸嘴出口采用壓強出口，設置相對壓強為?2 300 Pa。與大氣連通的擴展域表面設為標準大氣壓強。為了模擬地鐵清掃車的行駛狀況，吹、吸嘴的壁面設為移動壁面，其余壁面設為無滑移壁面。由于清掃流場內(nèi)部包含流動的氣體以及隨氣體運動的垃圾顆粒，所以流場特征為氣固兩相混合流，計算時多采用歐拉?拉格朗日模型，采用DPM模型對其進行仿真計算。設置射流源為面射流源，入射面為軌間區(qū)域擴展域的底面，吸嘴出口設置為顆粒捕捉面，顆粒類型設為慣性顆粒，材料為鐵屑，鐵屑直徑設置為3 mm，顆粒流量設置為0.5 kg/s。

采用有限體積法對控制方程進行離散，由于吹吸式清掃流場內(nèi)部的氣體流動狀態(tài)比較復雜，屬于強旋流的湍流形式[15]，所以其計算模型采用Realizable?方程。采用基于壓力的隱式求解，采用二階迎風格式處理離散相，對行駛速度的計算模型，采用Simple算法進行瞬態(tài)求解，時間步長設為0.01 s，對中心排水溝和應答器計算模型，為減少計算高度扭曲網(wǎng)格時所遇到的收斂性困難，采用PISO算法進行瞬態(tài)求解[16]，時間步長設為0.005 s。

為了防止局部網(wǎng)格產(chǎn)生嚴重的畸變，采用彈性光順法和局部網(wǎng)格重構法進行動網(wǎng)格更新。利用UDF中的DEFINE_CG_MOTION宏定義道床設施區(qū)域的運動，運動區(qū)域與靜止區(qū)域之間交界面的信息交換通過滑移網(wǎng)格來實現(xiàn)。

2.2 塵粒啟動速度

式中：為經(jīng)驗系數(shù)；為塵粒密度；為顆粒直徑；為重力加速度。

根據(jù)式(1)和朱伏龍[19]的實驗結果，直徑小于3 mm的鐵屑塵粒的啟動最大速度為20 m/s。

3 運行參數(shù)的計算結果與分析

根據(jù)塵粒啟動理論，只有近地面氣流速度大于塵粒啟動速度時，塵粒才能被吹起，而吸嘴的出口速度決定著吸入的塵粒能否順利進入集塵裝置，同時，清掃效率是評價清掃車性能的主要指標[20]，其計算如式(2)：

式中：為清掃效率；1為注入的總顆粒數(shù)量；2為吸嘴出口捕捉的顆粒數(shù)。

為此，選擇吸嘴出口平均速度、近地面平均速度和清掃效率作為評價吹吸式清掃性能的指標。

3.1 行駛速度對清掃性能的影響

地鐵清掃車在工作時與垃圾具有一定的相對速度。過快的清掃車行駛速度使得垃圾還未清掃干凈，清掃車已經(jīng)駛離該區(qū)域，降低清掃性能，過慢的行駛速度則會導致工作效率降低。圖8所示為吹吸式清掃工作時內(nèi)部氣體速度流線圖，可以看出吹嘴吹出的氣流在軌間區(qū)域形成密閉氣幕，同時在吸嘴負壓的作用下，攜塵氣流被吸入吸嘴內(nèi)部。

圖8 吹吸式清掃流場速度流線圖

地鐵清掃車行駛速度與評價指標的關系曲線如圖9所示。隨著地鐵清掃車行駛速度的增加，近地面平均速度、吸嘴出口平均速度幾乎無明顯變化。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于：雖然氣體吹出吸嘴后會因地鐵清掃車的行駛所帶來的慣性而速度增加，但空氣受慣性的影響較小，從吹嘴出口吹出的氣體主要受吹嘴入口流量的控制。因此，近地面平均速度和吸嘴出口平均速度幾乎無明顯變化。

反觀清掃效率的變化曲線，當行駛速度低于10 km/h時，清掃效率隨著行駛速度的逐漸增大而增大，隨著行駛速度的進一步增大，清掃效率開始逐漸降低。其原因在于：當行駛速度小于10 km/h時，適當增加清掃車的行駛速度，使得鐵屑與吸嘴的相對速度增加，更多的鐵屑顆粒向吸嘴方向運動，導致吸嘴吸入的顆粒數(shù)增加，從而提高清掃效率。

當行駛速度大于10 km/h時，繼續(xù)提高行駛速度，鐵屑受慣性的影響較大，使得部分鐵屑相互碰撞后，相繼由擴展區(qū)處逃出，吸嘴吸入的顆粒數(shù)減少，如圖10所示。因此，清掃效率開始降低。

圖9 地鐵清掃車行駛速度對評價指標的影響

圖10 行駛速度15 km/h的顆粒運動軌跡

4 道床設施的計算結果與分析

為達到最好的清掃效果，對道床設施仿真計算，以優(yōu)化后的運行參數(shù)為邊界條件，即地鐵清掃車以10 km/h的行駛速度清掃軌間區(qū)域與道床設施。

4.1 中心排水溝對清掃性能的影響

中心排水溝前端面到吸嘴的距離L對速度的影響如圖11所示。隨著排水溝前端面與吸嘴的距離L的增加，近地面平均速度與吸嘴出口平均速度均出現(xiàn)先減小再增大、再減小再增大，最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖11 中心排水溝到吸嘴的距離對評價指標的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于：當排水溝前端面與吸嘴的距離L小于0時，由于排水溝的前端面與吸嘴還未交會，吹吸式清掃流場的各進氣面積基本不變，流場內(nèi)的氣流流量變化較小，因此近地面平均速度改變量不大。由于排水溝區(qū)域逐漸靠近吸嘴，使得吹嘴吹出的氣流進入排水溝的流量增大，而吸入吸嘴的氣體流量減小，吸嘴出口平均速度減小；當排水溝前端面與吸嘴的距離L在0~0.3 m時，吸嘴開始進入排水溝區(qū)域，隨著L的增加，清掃流場的中間擴展區(qū)的進氣面積突然增大，導致近地面平均速度減小。流場總進氣面積的增大，使得總進氣量增加，而吸嘴出口的面積不變，使得吸嘴出口平均速度增加；當排水溝前端面與吸嘴的距離L在0.3~0.68 m時，吸嘴處于排水溝區(qū)域，吹嘴逐漸靠近排水溝還未與其交會，雖然排水溝區(qū)域?qū)е轮虚g擴展域的進氣面積增加，但是更多氣流從吹嘴處吹來，使得近地面平均速度增加，同時，更多吹向排水溝的氣流也阻礙了部分進入吸嘴的氣流，導致吸嘴出口平均速度下降；當排水溝前端面與吸嘴的距離L在0.68~1.0 m時，吹嘴開始進入排水溝區(qū)域，隨著L的增加，吸嘴和吹嘴完全處于排水溝區(qū)域，吹嘴吹出的氣體更多的流入排水溝內(nèi)，如圖13所示，造成大量氣體流量損失，因此近地面平均速度和吸嘴出口平均速度均減??；當排水溝前端面與吸嘴的距離L在1.0~1.55 m時，吹嘴開始脫離排水溝區(qū)域，中間擴展區(qū)的進氣面積開始減小，整體流場的流量損失逐漸減小，因此近地面平均速度和吸嘴出口平均速度增加；當排水溝前端面與吸嘴的距離L大于1.55 m時，吹嘴和吸嘴完全脫離排水溝，清掃流場的各進氣量不再發(fā)生變化，因此近地面平均速度和吸嘴出口平均速度幾乎無明顯變化。

圖12 含中心排水溝的前后對稱面速度云圖

從圖11和圖12可以看出，在吹嘴和吸嘴進入排水溝區(qū)域后，近地面平均速度和吸嘴出口平均速度總體上均有下降的趨勢，尤其是吹嘴和吸嘴完全處于排水溝區(qū)域內(nèi)時，近地面平均速度和吸嘴出口平均速度顯著下降，并達到最低值。并且，在排水溝的角落處，氣流的流速最低。

4.2 應答器對清掃性能的影響

圖13為應答器前端面到吸嘴的距離L對速度的影響。隨著應答器前端面與吸嘴的距離L的增加，近地面平均速度呈現(xiàn)出先減小再增大再減小，最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；吸嘴出口平均速度呈現(xiàn)出先減小后增大，最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖13 應答器到吸嘴的距離對評價指標的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于：當應答器前端面與吸嘴的距離L小于0時，應答器還未與吸嘴交會，隨著L的增加，應答器對清掃流場中吸嘴的進氣量干擾作用增大，使得流場的進氣量減小，近地面平均速度和吸嘴出口平均速度均減??；當應答器前端面與吸嘴的距離L在0~0.2 m時，應答器逐漸進入吹、吸嘴之間區(qū)域，應答器對吸嘴進氣量的干擾作用更大，使得吸嘴出口平均速度顯著減小，同時，應答器的存在也嚴重阻礙了來自吹嘴的氣流，使得近地面氣流需要繞過應答器區(qū)域，導致近地面平均速度減小；當應答器前端面與吸嘴的距離L在0.2~0.55 m時，應答器完全處于吹、吸嘴之間，隨著L的增加，應答器逐漸遠離吸嘴，從而減少對進氣量的干擾，使得吸嘴出口平均速度增大，同時，由于應答器的存在，導致擴展域內(nèi)近地面氣流的橫截面積減小，在吹嘴吹出氣體流量一定的情況下，近地面平均速度必然增大，并且由于應答器逐漸靠近吹嘴，吹嘴吹出的部分氣流直接流過應答器上部，其速度云圖如圖14(a)，因此近地面平均速度顯著增大；當應答器前端面與吸嘴的距離L在0.55~0.72 m時，應答器前端面逐漸靠近吹嘴直至與吹嘴交會，吹嘴吹出的更多氣流直接流過應答器上部，而只有少部分的靠近吹嘴的近地面氣流橫截面積減小，其速度云圖如圖14(b)，所以相比于應答器距離吹嘴較遠時，近地面平均速度有一定的下降，而此時應答器距離吸嘴距離較遠，對吸嘴進氣量基本無影響，因而吸嘴出口平均速度基本不變；當應答器前端面與吸嘴的距離L在0.72~0.92 m時，應答器逐漸離開吹、吸嘴之間區(qū)域時，應答器對吹嘴吹出的氣流的干擾越來越小，導致近地面平均氣流適當增大，從而使得吹嘴吹出的氣流更容易被吸嘴吸入，吸嘴出口平均速度也相應增加；當應答器前端面與吸嘴的距離L大于0.92 m時，應答器完全脫離吹、吸嘴之間區(qū)域，對清掃流場幾乎不產(chǎn)生任何影響，故近地面平均速度和吹嘴出口平均速度基本不變。

(a) 應答器位于吸嘴附近；(b) 應答器位于吹嘴附近

從圖13和圖14可以看出，在應答器進入吹、吸嘴之間區(qū)域后，近地面平均速度和吸嘴出口平均速度總體上均有減小的趨勢，并且，在應答器恰好完全進入吹、吸嘴之間區(qū)域時，2速度同時下降到最低值，此時，吹吸式清掃方式的清掃性能下降最為明顯。同時，在應答器的封閉角處，近地面氣流的流速低于20 m/s的塵粒啟動速度，導致該處的塵粒難以吹起。

5 結論

1) 地鐵清掃車的行駛速度對清掃效率的影響較大，而對近地面平均速度和吹嘴出口平均速度的影響幾乎可以忽略不記。同時，在行駛速度為10 km/h的工況下吹吸式清掃方式的清掃效率最高。

2) 中心排水溝會對吹吸式清掃性能產(chǎn)生影響，當吹吸式清掃方式工作于中心排水溝上方時，近地面平均速度和吹嘴出口平均速度均減小，降低排水溝處的清掃性能。

3) 吹吸式清掃方式在設置有應答器的區(qū)域內(nèi)作業(yè)時，應答器與吹、吸嘴的相對的位置對清掃性能產(chǎn)生一定的影響，且在其封閉角處清掃性能顯著降低。

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Simulation study on the working conditions of blow-suction cleaning between subway-rails

GUO Yuanchang1, ZHANG Yicheng1, ZHANG Mingfeng2, XU Bin1, WU Qiangyun1

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. BAIC Group Off-road Vehicle Co. Ltd, Beijing 101300, China)

In order to study the influence of different working conditions on the performance of blow-suction cleaning between subway-rails, the computational fluid dynamics method was applied to simulate the blowing-suction cleaning flow field, the influence rules of subway sweeping speed on cleaning performance was analyzed combined with gas-solid two phase flow model. Based on these rules, the dynamic grid technique was used to analyze the effect of subway channel equipment such as central ditch and transponder on the cleaning flow field. The main results are as follows. The driving speed of the subway sweeper increases within a range of no more than 10 km/h, which is beneficial to improve the cleaning efficiency. The setting of central drain leads to a decrease in the average airflow velocity near ground and the average airflow speed of suction mouth outlet in the cleaning flow field, which results in decline in cleaning performance of the blowing-suction cleaning for the drain. When subway sweeper works in a area where transponder is installed, the relative position of it to blow mouth and suction mouth affects the cleaning performance, and the cleaning performance evident declines at the closed corners of transponder.

blow-suction cleaning; working conditions; area between two rails; computational fluid dynamics; gas-solid two phase flow; dynamic grid technique

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190851

U216.1

A

1672 ? 7029(2020)07 ? 1857 ? 08

2019?09?21

中南大學2018年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)師生共創(chuàng)資助項目(2018gczd025)

章易程(1965?)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事環(huán)保裝備、流體機械、非標機械設計等研究；E?mail：yczhang@csu.edu.cn

(編輯 蔣學東)