張鳴鳳，章易程，張方圓，吳強運，劉曉靜，郭員暢，劉 凡

(1.中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 長沙 410075；2.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 長沙 410114)

城市地鐵運營里程的不斷增加使得清掃地鐵運營環(huán)境成為文明城市建設(shè)的必然要求，而清掃車是目前地鐵隧道清掃的主要設(shè)備. 清掃方式對清掃車的清掃效果有著直接影響. 文獻(xiàn)[1-3]研究了吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能的影響；文獻(xiàn)[4]提出一種由扁形噴嘴傾斜吹風(fēng)和較寬吸嘴吸風(fēng)構(gòu)造的新型清掃裝置，并通過試驗證明射流角度為60°時清掃效果最好；文獻(xiàn)[5-6]運用氣固兩相流模型對中間吸風(fēng)、兩側(cè)吹風(fēng)的吹吸裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并提出改進(jìn)；文獻(xiàn)[7]分析了L型反吹式吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵效果的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬提出V形反吹式吸嘴的清掃性能優(yōu)于傳統(tǒng)反吹式吸嘴. 上述研究中，采用單一吸嘴吸塵進(jìn)行清掃的方式，難以滿足地鐵清掃效率的要求；采用吹吸式進(jìn)行清掃的方式只單一研究了吹嘴結(jié)構(gòu)或者吸嘴結(jié)構(gòu)對清掃效果的影響，沒有考慮吹嘴和吸嘴的參數(shù)組合對清掃性能的影響. 以上兩種清掃方式均未考慮軌道對清掃車清掃效果的影響. 因此，本文提出一種新的吹吸式清掃方式，此方式主要針對地鐵軌間區(qū)域，采用氣固兩相流模擬對吹吸式清掃方式進(jìn)行參數(shù)分析，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能的影響，并利用正交試驗的權(quán)矩陣分析法研究其位置參數(shù)對清掃效果的影響規(guī)律.

1 物理模型

圖1為吹吸式地鐵軌間區(qū)域清掃方式的結(jié)構(gòu)示意圖. 吹、吸組合式清掃方式由吹嘴1和吸嘴4分別承擔(dān)吹、吸工作；從吹嘴1產(chǎn)生的高速氣流噴向兩根軌道間的地面(即軌間區(qū)域)，將塵粒等垃圾吹起，再由吸嘴4提供的負(fù)壓將垃圾隨空氣吸入吸塵管道，最終送入集塵箱內(nèi)，從而達(dá)到清潔軌間區(qū)域的目的. 其中L1、L2分別為吸嘴和吹嘴的長度，B1、B2分別為吸嘴和吹嘴的寬度，H1、H2分別為吸嘴和吹嘴的高度，β1、β2分別為吹嘴和吸嘴與地面的傾角，L為吹嘴與吸嘴之間的距離，δ為吹、吸嘴距地面的高度.

(a)結(jié)構(gòu)參數(shù)

(b)位置參數(shù)

2 數(shù)值計算

2.1 前置處理

在吹吸組合式清掃方式中，本文將吹嘴和吸嘴工作時離地面間隙設(shè)為10 mm[9]. 為了更好地模擬吹嘴和吸嘴的工作過程，通常在其工作流場周圍添加適當(dāng)擴(kuò)展區(qū)來保證氣流的充分發(fā)展，使氣流的流動更加接近實際情況[9].

吹吸式清掃模型前后對稱，故為了節(jié)省計算量和計算時間，取其一半模型進(jìn)行分析，其計算網(wǎng)格模型如圖2所示. 吹吸式清掃仿真模型中軌道結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此利用Fluent軟件將整體模型劃分為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格. 為了精確仿真結(jié)果，采用有限體積法進(jìn)行方程的離散，選擇SIMPLE求解算法和二階迎風(fēng)差分格式. 吹嘴入口采用質(zhì)量流量入口，設(shè)為4.6 kg/s；吸嘴出口采用壓強出口，設(shè)相對壓強為-2 300 Pa；與大氣連通的擴(kuò)展區(qū)表面為壓力入口，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強. 為了模擬吹嘴和吸嘴工作，吹、吸嘴的壁面設(shè)為移動壁面，速度為10 km/h，其余壁面均設(shè)為無滑移壁面.

圖2 計算網(wǎng)格模型

由于清掃流場內(nèi)部是氣固兩相混合流，計算時采用歐拉-拉格朗日模型進(jìn)行離散相的求解. 射流源設(shè)為面射流源，吹嘴和吸嘴底部擴(kuò)展區(qū)域的前端面設(shè)為入射面，顆粒材料設(shè)為鐵屑，類型選用慣性顆粒. 為簡化模型，鐵屑采用均勻分布模式，設(shè)其直徑為3 mm，質(zhì)量流量為0.5 kg/s.

2.2 流場動力學(xué)方程

1)連續(xù)性方程：

(1)

式中：V為流體的速度矢量，ρ為流體密度，t為時間.

2)動量方程：

(2)

式中：校正壓力p′=p+((2/3)μ-ξ)V，等效粘性系數(shù)μe=μ+μT，湍流粘性系數(shù)μT=ρCμk2/ε,f為體積力，p為靜壓力，μ為層流粘性系數(shù)，ξ為體積粘性系數(shù)，k為湍流動能，ε為動能耗散系數(shù)，Cμ=0.09[10].

3) Realizablek-ε方程.由于該流場屬于湍流[11]，且k-ε方程能很好地預(yù)測氣流速度[12]，所以其計算模型采用Realizablek-ε方程：

(3)

(4)

4)歐拉-拉格朗日方程:

(5)

式中：m為塵粒質(zhì)量，v為塵粒速度，F(xiàn)d為粘性力，G為重力，F(xiàn)s為提升力.

2.3 塵粒啟動速度

塵粒的啟動速度指塵粒開始滾動的最小風(fēng)速. 只有在近地面的氣流速度大于塵粒啟動速度的前提下，附著在地面上的塵粒才能順利起動[13]. 文獻(xiàn)[14]認(rèn)為在塵粒啟動的過程中，塵粒自身的重力與其迎面阻力平衡，得出直徑0.08 mm以上的塵粒的啟動速度μs計算公式為

(6)

式中：A為經(jīng)驗系數(shù)，ρs為塵粒密度，d為塵粒直徑.

根據(jù)式(6)和文獻(xiàn)[15]中的實驗，直徑小于3 mm的鐵屑，其最大啟動速度為20 m/s.

3 影響參數(shù)分析

吹嘴吹出的氣流速度直接影響塵粒能否順利起動. 由塵粒啟動理論可知[16]，只有近地面氣流速度大于塵粒啟動速度時，塵粒才能被順利地吸走. 此外，吸嘴出口速度也會影響塵粒是否能順利進(jìn)入集塵箱[9]. 同時，清掃效率是評價清掃車清掃性能的重要指標(biāo)，故通過計算吸嘴出口處的顆粒溢出數(shù)量和顆粒注入總量的比值對吹吸式清掃方式的吸塵性能進(jìn)行合理的評價. 因此，本文以吹嘴吹口速度、近地面平均速度、吸嘴入口壓強、吸嘴出口平均速度和清掃效率作為指標(biāo)判斷各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響. 由于鐵屑直徑一般不大于3 mm[5]，所以選取該高度處吹嘴和吸嘴之間的長方形區(qū)域作為近地面指標(biāo)的分析區(qū)域.

因吹嘴入口和吸嘴出口部分還要連接吹風(fēng)管道和吸塵管道，故暫時不考慮吸嘴與吹嘴的長度L1、L2. 中國地鐵線路采用1 435 mm的標(biāo)準(zhǔn)軌距. 綜合考慮清掃車進(jìn)行作業(yè)時，吸嘴的靈活性和邊角的清掃效果，將吸嘴寬度B1設(shè)定為1 400 mm. 由于吸嘴的高度主要受地面上塵粒的形狀大小影響，根據(jù)文獻(xiàn)[13,17]，吸嘴的高度H1設(shè)定為130 mm.

3.1 吹嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

3.1.1 吹嘴寬度

通過改變吹吸嘴寬度比iB(iB為吹嘴寬度B2與吸嘴寬度B1的比值)來改變吹嘴的寬度，其流場仿真結(jié)果如圖3、4所示.

圖3 寬度對評價指標(biāo)的影響

圖4 寬度對清掃效率的影響

由上圖可知，隨著寬度比的增加，吹嘴吹口速度、近地面平均速度、吸嘴入口壓強和出口平均速度不斷減小，清掃效率先增加后減小.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：吹嘴入口流量一定，隨著寬度比增加，吹嘴橫截面積增大，使得吹嘴吹口速度減小，近地面平均速度減小. 寬度比的增加，使得流場與大氣的連通度減小，寬度比小于0.98時，吸嘴入口處的負(fù)壓受吹嘴吹口速度影響較小，因此吸嘴入口壓強緩慢下降，吸塵能力增加，使得清掃效率逐漸提高；寬度比大于0.98時，吸嘴入口處的負(fù)壓受吹嘴吹口速度影響開始逐漸增大，吸嘴入口壓強急劇下降. 吹嘴橫截面積的增加使得吹風(fēng)面積增大，逃逸的顆粒數(shù)量增多，清掃效率下降. 吸嘴入口處的負(fù)壓作用降低，使得出口平均速度減小.

3.1.2 吹嘴高度

通過改變吹吸嘴高度比iH(iH為吹嘴高度H2與吸嘴高度H1的比值)來改變吹嘴的高度，其流場仿真結(jié)果如圖5、6所示.

圖5 高度對評價指標(biāo)的影響

圖6 高度對清掃效率的影響

由圖5、6可知，隨著高度比的增加，吹嘴吹口速度、近地面平均速度和出口平均速度不斷減小，吸嘴入口壓強和清掃效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：吹嘴入口流量一定，隨著高度比的增加，吹嘴橫截面積增大，使得吹嘴吹口速度減小，近地面平均速度減小. 高度比小于0.92時，隨著高度比的增加，流場與大氣的連通度減小，受大氣壓強的影響逐漸減小，使得吸嘴入口處的負(fù)壓作用增加，因而清掃效率和吸嘴入口壓強增大；高度比大于0.92時，吹嘴高度的增加使得吹嘴吹口遠(yuǎn)離地面的一端與吸嘴入口的距離縮短，減小了沿程損失，使得吸嘴入口壓強降低. 吹嘴橫截面積的增加使得吹風(fēng)面積增大，逃逸的顆粒數(shù)量增多，清掃效率下降. 如圖7所示，吸嘴的出口處壓強為一恒定值，吹嘴高度的增加使得吹嘴的水力半徑增大，流動阻力減小，能量損失較小，因此出口平均速度緩慢減小.

根據(jù)參數(shù)影響分析，吹嘴寬度B2與吸嘴寬度B1的比值iB取為0.93，吹嘴高度H2與吸嘴高度H1的比值iH取為0.92.

圖7 水力半徑隨高度比的變化曲線

3.2 位置參數(shù)優(yōu)化

吹吸組合式清掃方案中，吹嘴與吸嘴之間的距離L直接決定吸塵氣流受吹風(fēng)氣流影響的程度，吹嘴與地面的夾角β1、吸嘴與地面的夾角β2以及吹、吸嘴離地高度δ影響吹、吸嘴之間近地面的速度以及在地面形成的風(fēng)幕范圍. 因此，吹嘴與吸嘴之間的距離L、吹嘴與地面的夾角β1、吸嘴與地面的夾角β2以及吹、吸嘴離地高度δ對清掃性能有著重要的影響. 為了獲得上述各參數(shù)的最優(yōu)化配置，借助正交試驗對其進(jìn)行分析.

3.2.1 試驗設(shè)計方案

考慮到吹嘴傾角和吸嘴傾角的各種角度組合，吹嘴傾角和吸嘴傾角應(yīng)選取相同的值；吹吸嘴離地面的高度一般控制在20 mm之內(nèi)[13]. 因此，對吹嘴與吸嘴之間的距離L、吹嘴與地面的夾角β1、吸嘴與地面的夾角β2以及吹、吸嘴離地高度δ這4個因素，分別采用等間距的4個水平，選用L16(45)試驗表，其因素與水平見表1.

表1 因素與水平表

3.2.2 結(jié)果分析

為了評估吹、吸的功率，借助出進(jìn)風(fēng)功率比ζ來進(jìn)行分析，其計算公式為

(7)

式中Po、Pi為流出吸嘴的風(fēng)功率和進(jìn)入吹嘴的風(fēng)功率. 風(fēng)功率P′的計算公式為

P′=ps·qV，

(8)

其中ps、qV為靜壓和體積流量.

因此，選用近地面平均速度、出口平均速度、吸嘴入口壓強、出進(jìn)功率比和清掃效率作為試驗結(jié)果的考察指標(biāo). 其中，近地面平均速度、出口平均速度、出進(jìn)功率比和清掃效率在一定范圍內(nèi)越大越好，吸嘴入口壓強在一定范圍內(nèi)則越小越好. 正交試驗結(jié)果見表2，表3為極差分析結(jié)果.

表2 試驗結(jié)果

表3 極差分析結(jié)果

由表3可知，對近地面平均速度、出口平均速度、吸嘴入口壓強、出進(jìn)功率比和清掃效率，其影響因素的主次順序分別為BDAC、CBDA、CADB、BCDA、CBAD. 極差分析主要選取影響單個考察指標(biāo)因素的最優(yōu)方案，無法對多個考察指標(biāo)進(jìn)行綜合性能的選取. 因此，本文應(yīng)用權(quán)矩陣分析法，根據(jù)式(9)計算影響考察指標(biāo)的各因素各水平的權(quán)重值大小[18]，并根據(jù)權(quán)重值獲得綜合優(yōu)化方案，計算結(jié)果見表4.

表4 各因素水平矩陣分析

ω=MTS.

(9)

式中：ω為影響試驗考察指標(biāo)的權(quán)矩陣，M為試驗考察指標(biāo)層矩陣，T為因素層矩陣，S為水平層矩陣.

根據(jù)計算結(jié)果，各因素對考察指標(biāo)影響的主次順序依次為CBAD，最優(yōu)方案為A2B1C1D4，其清掃效率達(dá)93%.

4 優(yōu)化后的流場分析

4.1 速度

圖8為吹吸式清掃方式工作時內(nèi)部氣體速度矢量圖. 從圖8可以看出，左邊吹嘴吹出的氣流在軌間區(qū)域形成封閉氣幕，同時在右邊吸嘴負(fù)壓的作用下，攜塵氣流被吸入吸嘴內(nèi)部，將軌間區(qū)域的塵粒輸送至集塵箱內(nèi).

圖8 吹吸式清掃流場速度矢量圖(m/s)

圖9為近地面速度矢量圖. 其中，Ⅰ處表示的吹嘴附近速度為30.8～41.0 m/s，Ⅱ處表示的吸嘴附近速度為51.3.1～61.5 m/s，這些速度均大于20 m/s，說明吸塵效果較好.

圖10為吹吸組合式清掃方式左右對稱面速度矢量圖. 其中，Ⅲ處表示的軌間區(qū)域近地面速度為51.3～61.5 m/s，說明近地面氣流流速高且方向緊貼地面，氣流在吸嘴負(fù)壓作用下進(jìn)入集塵箱內(nèi)，不會輕易形成二次揚塵. Ⅳ處表示的吸嘴出口處的速度為41.0～71.8 m/s，平均速度為48.83 m/s，這使得塵粒等垃圾較容易進(jìn)入集塵箱.

圖9 近地面速度矢量圖(m/s)

圖10 前后對稱面速度矢量圖(m/s)

4.2 對稱面壓強

圖11為吹吸組合式清掃方式左右對稱面壓強. Ⅴ處表示吸嘴入口處的平均壓強為98.88 kPa，小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，說明吸嘴提供的負(fù)壓可以使塵粒被吸嘴進(jìn)入.

圖11 左右對稱面壓強(kPa)

4.3 顆粒相運動

本文以直徑3 mm的鐵屑作為研究對象，跟蹤其在吹吸式清掃流場內(nèi)的運動情況，結(jié)果如圖12所示. 從圖12可以看出，除了撞擊到軌道反彈出去的少數(shù)鐵屑顆粒，其余鐵屑顆粒基本可以順利被吸嘴吸走. 反彈出去的顆粒數(shù)與吸嘴吸走的顆粒數(shù)之比為0.03.

圖12 鐵屑的運動速度及軌跡

5 結(jié) 論

1)吹嘴寬度不大于吸嘴寬度的0.93時，增大吹嘴寬度可以提高吸嘴入口處的壓力真空度，增強吸塵能力，提高清掃效率.

2)吹嘴高度不小于吸嘴高度的0.92時，增大吹嘴高度雖然可以提高吸嘴的吸塵能力，但降低了近地面平均速度和吹嘴出口速度，不利于塵粒的吹起.

3)利用正交試驗的權(quán)矩陣分析法，對近地面平均速度、出口平均速度、吸嘴入口壓強、出進(jìn)功率比和清掃效率進(jìn)行綜合性能的權(quán)重值計算，權(quán)重影響最大方案為(主→次)：吸嘴傾角20°、吹嘴傾角20°、吹吸嘴之間的距離700 mm、吹吸嘴離地高度20 mm.