朱玉倫，郝淑英，劉 君，張琪昌

（1.天津理工大學(xué)a.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津300384；2.鄭州宇通重工有限公司，鄭州450001；3.天津大學(xué)天津市非線性動(dòng)力學(xué)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)械工程學(xué)院，天津300072）

隨著城市化進(jìn)程加快，對(duì)高清洗效率洗掃車的需求日益增加[1]。洗掃車結(jié)合了掃路車、高壓清洗車和灑水車的多重功能，對(duì)路面清掃的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的高壓沖洗，清潔效果好，作業(yè)無(wú)揚(yáng)塵，特別適用于城市道路等的深度清掃[2]。扇形噴嘴是洗掃車清洗設(shè)備的重要組件，其結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響射流性能、清洗質(zhì)量、功率損耗和清洗成本[3]。

為更有效地提升扇形噴嘴的清洗性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析兩種方法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響射流性能進(jìn)行了研究。梁博鍵等[4]研究了出口擴(kuò)張角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流性能的影響，得出了能夠使噴嘴獲得較好的清洗效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)。歐陽(yáng)聯(lián)格等[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了射流過(guò)程中入口壓力等參數(shù)對(duì)清洗效果的影響規(guī)律。王國(guó)志等[6]研究了切槽形狀和加工方式對(duì)清洗效果的影響。于蘭英等[7]運(yùn)用Fluent的流體體積（volume of fluid，VOF）兩相流模型對(duì)不同出口直徑的扇形噴嘴在不同壓力下的打擊力和動(dòng)壓進(jìn)行了比較分析，研究發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑和壓力的增大都會(huì)使打擊力增大。李喆等[8]分析了打擊距離和打擊角度對(duì)清洗效果的影響，從而確定了更為合理的射流參數(shù)。高傳昌等[9]運(yùn)用正交試驗(yàn)方法對(duì)自激吸氣脈沖射流噴嘴的吸氣性能和沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并通過(guò)極差和方差分析研究了噴嘴面積比和相對(duì)腔內(nèi)面積等因素及其交互作用對(duì)裝置的工作性能的影響。SHEN等[10]以錐形收斂噴嘴為研究對(duì)象，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)噴嘴出口速度的質(zhì)量特性進(jìn)行了研究。

目前將試驗(yàn)設(shè)計(jì)引入到扇形噴嘴研究中的人越來(lái)越多，但多數(shù)情況下，只是考慮單因素結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于射流性能的影響[11-12]，很少有研究全面的考慮多個(gè)結(jié)構(gòu)因素及其交互作用對(duì)扇形噴嘴的射流性能的影響。

本文采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)某洗掃車所使用的某型號(hào)的噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了扇形噴嘴的收縮段角度、相貫深度、出口擴(kuò)張角這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其交互作用對(duì)扇形噴嘴的射流性能的影響，確定出扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合；應(yīng)用有限元分析的方法對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。研究結(jié)果為噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提升扇形噴嘴的射流性能，從而提升洗掃車的清洗效果提供了理論依據(jù)。

1 扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)與清洗原理

圖1為某洗掃車用扇形噴嘴結(jié)構(gòu)剖面圖，該扇形噴嘴安裝在作業(yè)噴桿上，洗掃車水箱中的水在高壓泵的作用下通過(guò)作業(yè)噴桿流向該扇形噴嘴，該噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水簾形狀、打擊力以及流量等有著重要的影響。

圖1 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Sectional drawing of sector nozzle structure

圖2 為噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。噴嘴出口由V形槽與半球收縮段相貫而成，該出口結(jié)構(gòu)使得水射流形成扁平的扇形流束，其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了噴嘴外部射流形狀以及性能。選取了收縮段角度α、相貫深度h、出口擴(kuò)張角θ作為需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，噴嘴的其他結(jié)構(gòu)尺寸均由所切開的噴嘴實(shí)物模型測(cè)量得到。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle structural parameters

洗掃車的清洗原理是高壓水從扇形噴嘴射出，打向地面，通過(guò)高壓水的打擊力來(lái)剝離地面上的污垢，再通過(guò)車廂底盤中央的吸口將污垢吸走。因此，水射流打擊力是衡量噴嘴射流性能的一個(gè)很重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。另外，由于洗掃車作業(yè)時(shí)的載水量一定，為了使一次作業(yè)的清洗效率盡可能達(dá)到最大，噴嘴出口處水流量也是一個(gè)需要考慮的重要指標(biāo)。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于洗掃車作業(yè)的載水量一定，因此為了使一次作業(yè)的清洗效率盡可能達(dá)到最大，將打擊力和流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)影響該指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行尋優(yōu)，得出提升清洗效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到既提升清洗效率又節(jié)省能源這一目標(biāo)。

2.1 試驗(yàn)水平的選取

試驗(yàn)因素及水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平Tab.1 Test factors and levels

為了反映出各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)扇形噴嘴的射流性能的影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用A表示收縮段角度的變化，B表示相貫深度的變化和C表示出口擴(kuò)張角的變化等3個(gè)因素，從實(shí)物噴嘴的量級(jí)范圍內(nèi)對(duì)這3個(gè)因素分別選取5個(gè)水平。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是一種研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，它根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，使試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻分散，能反映出全面的情況。文中試驗(yàn)是三因素五水平正交試驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)出試驗(yàn)組數(shù)，再通過(guò)Fluent進(jìn)行試驗(yàn)仿真獲取打擊力和流量，得到的部分有代表性的正交試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果Tab.2 Orthogonal test scheme and simulation results

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)方差分析

2.3.1 打擊力方差分析

方差分析在多因素試驗(yàn)中，可以幫助人們發(fā)現(xiàn)起主導(dǎo)作用的因素，從而確定試驗(yàn)中各因素影響作用的主要性及次要性。影響清洗效率的因素有收縮段角度、相貫深度和出口擴(kuò)張角3種，為了探索各因素對(duì)清洗效率的影響作用，使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)單化，因此對(duì)打擊力和流量進(jìn)行了方差分析。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方差，表3為打擊力方差分析，p-value<0.05的時(shí)候，代表此因子顯著，即對(duì)結(jié)果的影響大；3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)打擊力影響強(qiáng)弱的順序?yàn)椋築>C>A，3種結(jié)構(gòu)參數(shù)兩兩之間的交互作用對(duì)打擊力的影響很小。

表3 打擊力方差分析Tab.3 Variance analyses of strike force

正交試驗(yàn)法可以通過(guò)極差反映各因素及其交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，極差越大說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大。將各水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和記為ki，i為各水平的代號(hào)，各水平從小到大排列，記為1~5，例如A因素所在的第2列中，第1、5和10號(hào)實(shí)驗(yàn)中因素A的水平是30，記為k1，所以k1為第1、5和10號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和，即：k1=2.713+1.831+7.863=12.407。

同理可以計(jì)算出其他列中的R，打擊力試驗(yàn)方差如表4所示。

表4 打擊力試驗(yàn)方差Tab.4 Impact test variance

各列的極差是不相等的，說(shuō)明各因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響是不相同的。極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，所以極差最大的那一列，就是因素水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大的，由3個(gè)因素的極差，可以看出RB>RC>RA，因此各因素從主到次的順序?yàn)椋築（相貫深度），C（出口擴(kuò)張角），A（收縮段角度），這也驗(yàn)證了前面依據(jù)p-value值所得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)打擊力影響的分析結(jié)果。

在試驗(yàn)中，試驗(yàn)指標(biāo)是打擊力大小，指標(biāo)越大越好。顯然，對(duì)于因素A來(lái)說(shuō)，水平1是最好的，即收縮段角度應(yīng)選取30°；對(duì)于因素B來(lái)說(shuō)，水平4是最好的，即相貫深度應(yīng)選取0.600mm；對(duì)于因素C來(lái)說(shuō)，水平5是最好的，即出口擴(kuò)張角應(yīng)選取65°。

2.3.2 流量方差分析

根據(jù)表5流量方差分析可知，3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量的影響順序是：B>C>A，比較p-value，3種結(jié)構(gòu)參數(shù)兩兩之間的交互作用對(duì)流量雖有影響，但影響較小，考慮到試驗(yàn)及人工的成本，此處忽略交互作用的影響。

表5 流量方差分析Tab.5 Analysisofflowvariance

極差的計(jì)算過(guò)程與分析打擊力時(shí)類似，流量試驗(yàn)方差分析如表6所示。由3個(gè)因素的極差，可以看出RB>RC>RA，因此各因素從主到次的順序?yàn)椋築（相貫深度）、C（出口擴(kuò)張角）、A（收縮段角度），這也驗(yàn)證了前面依據(jù)p-value值所得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量的影響大小。

表6 流量試驗(yàn)方差分析Tab.6 Flowtestvarianceanalysis

對(duì)于流量來(lái)說(shuō)，顯然方差越小越好，所以應(yīng)選取每個(gè)因素的k1，k2，k3，k4，k5中最小值對(duì)應(yīng)的水平，顯然，對(duì)于因素A來(lái)說(shuō)，水平3是最好的，即收縮段角度應(yīng)選取45°；對(duì)于因素B來(lái)說(shuō)，水平1是最好的，即相貫深度應(yīng)選取0.30mm；對(duì)于因素C來(lái)說(shuō)，水平1是最好的，即出口擴(kuò)張角應(yīng)選取45°。

2.3.3 多指標(biāo)試驗(yàn)擇優(yōu)方案

對(duì)于該問(wèn)題，衡量清洗效果優(yōu)劣的指標(biāo)出現(xiàn)了兩個(gè)，導(dǎo)致該問(wèn)題產(chǎn)生了一定的復(fù)雜性，表現(xiàn)在這兩個(gè)指標(biāo)之間出現(xiàn)了相互矛盾的現(xiàn)象，選擇一個(gè)指標(biāo)好的水平組合對(duì)另一個(gè)指標(biāo)來(lái)講可能是不好的，例如大的相貫深度對(duì)打擊力是擇優(yōu)而選，但對(duì)流量這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)就算是一個(gè)劣勢(shì)選擇。該問(wèn)題中，所選取的打擊力優(yōu)選方案對(duì)于流量并非優(yōu)選方案，這時(shí)就需要兼顧各個(gè)指標(biāo)，尋找使得每個(gè)指標(biāo)都盡可能好的生產(chǎn)條件。為解決這個(gè)問(wèn)題，可依據(jù)綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則進(jìn)行綜合平衡。

收縮段角度A：對(duì)于打擊力和流量來(lái)講，A對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，因此對(duì)于A指標(biāo)的選取可依據(jù)顯著性的大小。對(duì)于打擊力，A的p-value為0.0766；對(duì)于流量，A的p-value為0.6941，而pvalue越小，表明該指標(biāo)對(duì)結(jié)果影響越顯著。因此，這里依據(jù)對(duì)打擊力的影響來(lái)選取指標(biāo)，選取水平1，即收縮段角度應(yīng)選取30°。

相貫深度B:對(duì)于打擊力來(lái)講，B的極差最大，是影響最大的因素，取最大值的水平，即水平4最好；但對(duì)于流量來(lái)講，B也是影響最大的因素，但評(píng)價(jià)指標(biāo)是越小越好，需要選取最小值的水平，即水平1最好，這兩者之間相互矛盾，洗掃車在清洗過(guò)程中，清潔率占優(yōu)先地位，若是不能將地面清洗干凈，則說(shuō)明該產(chǎn)品并不合格。根據(jù)綜合平衡法的原則，這時(shí)候應(yīng)滿足相對(duì)重要的指標(biāo)，以打擊力優(yōu)先，選取水平4，即相貫深度為0.6mm。

出口擴(kuò)張角C:對(duì)于打擊力和流量來(lái)講，C是對(duì)兩者影響較為重要的因素，這里依據(jù)C指標(biāo)顯著性的大小選取，對(duì)于打擊力，A的p-value為0.0011；對(duì)于流量，A的p-value小于0.0001，可依據(jù)對(duì)流量的影響來(lái)選取指標(biāo)，這樣也可在滿足較大打擊力的情況下，做到盡可能地節(jié)省水資源，降低損耗，因此，選取水平1，即出口擴(kuò)張角應(yīng)選取45°。

綜上所述，對(duì)于該類型的扇形噴嘴，收縮段角度應(yīng)選取30°，相貫深度為0.60mm，出口擴(kuò)張角應(yīng)選取45°。

3 優(yōu)化結(jié)果的仿真分析及驗(yàn)證

3.1 噴嘴結(jié)構(gòu)的有限元仿真

使用三維建模軟件UG建立扇形噴嘴的三維模型及外流域場(chǎng)，如圖3所示。噴嘴的端面為水流入口，大圓柱的端面作為水射流打向的靶面，將建立好的模型導(dǎo)入到ICEM CFD流體網(wǎng)格劃分軟件中，由于噴嘴相對(duì)于外流場(chǎng)尺寸較小，為了對(duì)扇形噴嘴的射流流場(chǎng)準(zhǔn)確地仿真模擬，特對(duì)扇形噴嘴的內(nèi)部流道進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密處理，對(duì)模型分3部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，噴嘴和外流場(chǎng)部分采用六面體單元，噴嘴與外流場(chǎng)交接處的三棱柱部分采用正四面體單元，交界面處進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并，扇形噴嘴及外流場(chǎng)網(wǎng)格如圖4所示。使用有限元軟件Fluent模擬水流從噴嘴進(jìn)入到打向地面的這一過(guò)程，扇形噴嘴的端面為壓力進(jìn)口邊界條件，壓力值設(shè)為6 MPa；扇形噴嘴的內(nèi)表面采用壁面條件；外部流場(chǎng)區(qū)域設(shè)為壓力出口邊界條件，壓力值為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。湍流模型采用k-ε兩方程模型，計(jì)算過(guò)程采用VOF兩相流模型模擬氣液兩相流作用，主項(xiàng)設(shè)為水，第二項(xiàng)為空氣。

圖3 扇形噴嘴的三維模型及外流域場(chǎng)Fig.3 Three dimensional model of fan-shaped nozzle and drainage field

圖4 扇形噴嘴及外流場(chǎng)網(wǎng)格Fig.4 Grid diagram of sector nozzle and outflow field

3.2 打擊力及流量分析

噴嘴原結(jié)構(gòu)中收縮段角度α=45°、相貫深度h=0.5 mm、出口擴(kuò)張角θ=45°，經(jīng)過(guò)Fluent的迭代求解，得到原扇形噴嘴中面處的速度云圖和優(yōu)化后噴嘴中面處的速度云圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 原扇形噴嘴中面處的速度云圖Fig.5 Velocity nephogram in the middle of the original sector nozzle

圖6 優(yōu)化后噴嘴中面處的速度云圖Fig.6 Velocity nephogram at the middle surface of optimized nozzle

高壓水從噴嘴噴出后，逐漸形成扁平狀的扇形流束。在水射流范圍內(nèi)存在射流核心區(qū)，射流核心區(qū)內(nèi)射流水的速度最大，對(duì)清洗表面的沖擊力最大，噴嘴清洗的效果最為顯著。同時(shí)在射流的縱向區(qū)域內(nèi)，水射流的速度分布均勻。同樣對(duì)優(yōu)化后的噴嘴模型進(jìn)行有限元仿真。根據(jù)后處理的結(jié)果，查看噴嘴靶面的打擊力以及噴嘴出口處的質(zhì)量流量，分別如表7和表8所示。

表7 噴嘴靶面的打擊力Tab.7 Strike force of nozzle target

表8 噴嘴出口處的質(zhì)量流量Tab.8 Mass flow at nozzle outlet

對(duì)比原噴嘴結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后噴嘴結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后的噴嘴在相同的入口壓力條件下，射流速度更大，在打擊力提高的情況下，流量也有一定的減小，打擊力相較原結(jié)構(gòu)提升了13.5%，流量相較原結(jié)構(gòu)減小了3.7%，作業(yè)效率和清洗效率都有了一定的提升。

4 結(jié)論

文中以某重工所生產(chǎn)的系列洗掃車上水力系統(tǒng)的執(zhí)行元件——扇形噴嘴為研究對(duì)象，運(yùn)用正交試驗(yàn)法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了某型號(hào)扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)其射流性能的影響，提出了一套系統(tǒng)研究扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的分析設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)收縮段角度、相貫深度和出口擴(kuò)張角3個(gè)扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)相貫深度對(duì)打擊力和流量影響最大。根據(jù)綜合平衡法的原則，以打擊力優(yōu)先考慮的因素，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出，當(dāng)收縮段角度是30°、相貫深度為0.60 mm，出口擴(kuò)張角為45°時(shí)可獲得最佳的打擊力，且質(zhì)量流量也在一定程度上有所減小。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性。該方法也為洗掃車其他型號(hào)噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。