掃吸式吸入口流場仿真分析研究

陳思林，楊旭東，馬春林，秋 實

（1.西北核技術研究所，陜西西安 710024；2.西北工業大學，陜西西安 710068）

掃吸式吸入口流場仿真分析研究

陳思林1，2，楊旭東1，馬春林2，秋 實2

（1.西北核技術研究所，陜西西安 710024；2.西北工業大學，陜西西安 710068）

針對掃吸式吸入口流場仿真分析中模型建立和分析方法選擇的難題，選取Fluent中的多參考系模型（MRF）作為建模方法，確定了掃滾相對于吸入口罩殼之間的速度換算公式。通過改變掃滾轉速和輸料管與掃滾之間的中心距，研究了影響掃吸式吸入口空氣流量和入口速度變化的因素，并繪制出掃滾壁面和入口速度云圖。最后根據分析結果，優化了掃吸式結構尺寸和運行參數。結果表明，采用多參考系模型可以實現掃吸式吸入口內部流場的仿真分析研究；對于作業寬度為400mm的掃吸式吸入口，當掃滾轉速為300rad／min，輸料管與掃滾之間的中心距為350mm時，

吸入口內部空氣流量和入口速度最大。

吸入口；動網格；流場分析；多參考系模型

氣動收集是一種依靠空氣流動進行物料收集的作業方式，一般用于散料的收集和輸送。氣動收集裝置的吸入口分為2種：純吸式和掃吸式。其中純吸式依靠系統在吸入口附近產生的負壓和氣流流動，對地面散落的物料進行收集；掃吸式是一種吸入口結合掃－吸功能的收集裝置，其掃滾相對于地面作旋轉掃刷轉動，可以破開板結殼，實現板結地面物料的收集。

文獻［1］中，謝立楊介紹了國外路面清掃車的發展概況，其收集裝置主要由安裝在車體兩側的盤刷和車體中央的吸入口組成，能夠進行清掃路沿、邊溝等路面的物料收集。文獻［2］和文獻［3］中分別對掃吸式清掃車的盤刷（滾刷）結構尺寸和布置形式進行了介紹，盤刷的作用是將作業半徑外地面散落的物料刷起并帶動到吸入口作業范圍內進行收集。從目前掃吸式吸入口的研究現狀來看，多集中在吸入口結構尺寸、盤刷安裝位置優化等方面，而掃吸式吸入口內部流場仿真分析研究的相關報道很少，吸入口內部流場仿真分析的難點在于模型的建立和氣流運動方程的計算。從掃吸式吸入口的研發來看，掃吸式收集裝置的設計方法主要依靠大量的模型試驗來修改和改進，存在吸入口研發周期長、成本高等缺點。隨著計算機計算能力和流體力學軟件的研發，數值試驗也越來越多地應用于產品的實驗。數值試驗是通過由計算機和CAD／CFD軟件組成的數值實驗臺（NTS），進行產品各工況的三維流場數值模擬分析和性能預測。數值模擬技術為設計人員提供了在不同環境和結構參數的情況下，觀察產品內部和外部三維流場壓力分布、速度變化和流動狀態的途徑，較大地縮短了產品的研發和更新周期［4］。

筆者利用流體力學計算軟件Fluent中的動網格技術，建立了掃吸式吸入口的分析模型，通過改變吸入口結構和運行參數，對其內部流場的氣體流量、壁面速度、入口速度分布進行了分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立

為了實現板結地面物料的收集并防止二次揚塵的產生，擬設計的吸入口為全封閉臥式結構，即掃滾與集料板安裝在封閉殼體內，通過電機驅動掃滾轉動，將地面物料掃起并送到集料板上，輸料管依靠系統產生的負壓將物料吸走并儲存在集料箱中，掃吸式吸入口結構尺寸見圖1。

1.2 數學模型的建立［5－6］

在吸入口的任意一個控制體中，廣義標量Ф的積分守恒方程為

圖1 掃吸式吸入口結構尺寸Fig.1 Physical dimension of sweeping and sucking style suction

式中：ρ為流體密度；u為速度向量；ug為移動網格的網格速度；Γ為擴散系數；SΦ為源項；?V代表控制體V的邊界。

式（1）中的時間導數項，可以用一階后向差分格式寫成：

式中：n，n＋1代表不同的時間層。n＋1層上的Vn＋1由式（3）計算：

式中：dV／dt是控制體的時間導數。為了滿足網格守恒定律，控制體的時間導數由式（4）計算：

式中：nf是控制體積的面網格數；Aj為面j的面積向量。點乘ugj·Aj由式（5）計算：

式中：δVj為控制體積面j在時間間隔Δt中掃過的空間體積。

2 流場分析及結構優化

本文中的吸入口掃滾轉動所形成的流場屬于單一旋轉系中的流動。在流場分析中，將掃滾近似看作具有周期性轉動特性、轉速固定的葉輪，將吸入口外罩殼看作輪蓋，在此類情況下，由于葉輪周期性地掠過求解域，相對于慣性參考系來講，流動是不穩定的。在不考慮靜止部件的情況下，取旋轉部件一起運動的1個計算域，那么相對于這個旋轉參考系（非慣性）來講，流動是穩定的，這樣就簡化了問題的分析［3］。在Fluent中，提供了3種動網格分析模型：1）多參考系模型（MRF）；2）混合平面模型；3）滑動網格模型。

MRF模型適用于以不同速度運動的2個相鄰區域邊界上的流動接近一致的情況；混合平面模型適用于以非定常流動為基礎、每個計算域的流動情況不一致的計算，不能使用通用多相模型（VOF，mixture和Eulerian）；滑動網格模型適用于不穩定流的計算，可以真實地反映出轉子和定子之間的相互作用。由于掃吸式吸入口在工作時，掃滾相對于外殼的轉動速度和方向是固定的，所以吸入口流場分析選擇第1種分析模型，即多參考系模型（MRF）。

2.1 MRF模型中的速度公式［7］

MRF模型中的速度計算主要是相對速度與絕對速度的轉換。其中相對速度是每個計算子域相對于其他計算域的運動速度，在計算過程中，需要將子域的速度和速度梯度從移動參考系轉換到絕對慣性參考系。

計算區域轉軸的初始位置向量定義為

式中：r是笛卡爾坐標的位置向量；x0是計算區域轉軸的初始位置，如圖2所示。

移動參考系的相對速度通過以下方程轉換為絕對（靜止）參考系的值：

式中：v是絕對慣性參考系的速度；vr是相對非慣性參考系的速度值；ω是轉軸轉速；vt是非慣性參考系的平移速度。

根據定義的相對速度，絕對速度向量的梯度以式（8）計算：

圖2 相對速度坐標系Fig.2 Coordinate of relative velocity

2.2 流場仿真結果分析

影響掃吸式吸入口工作效率的參數共有2個：掃滾轉速ω和掃滾中心與輸送直管中心之間的距離A。其中，掃滾轉速影響吸入口的破殼功能和吸入口風量；中心距A影響吸入口的收集效率。要提高吸入口的破殼能力和收集效率，就要使吸入口的壁面氣流速度和內部空氣流量達到最大。

本文設計的掃吸式吸入口作業寬度為0.4m，輸料管直徑為0.08m。為方便理論分析，將掃滾簡化為繞Z軸旋轉的圓周壁面，刷毛簡化為4個葉輪；將掃滾轉速ω調節參數設定為100，300，500rad／min，中心距A調節參數設定為0.3，0.35，0.4m。圖3是利用流體力學分析前處理軟件Gambit建立的三維分析模型，采用混合六邊形方法進行網格化，取掃滾中心為坐標原點，為分析方便，將掃滾表面的刷毛簡化為四排葉輪式結構。

圖3 網格模型Fig.3 Mesh grid

圖4為掃滾葉輪表面速度變化曲線，橫坐標為葉輪與掃滾中心之間的距離，縱坐標為氣流速度。從圖4中可以看出，當A一定時，掃滾壁面氣流速度隨著掃滾轉速ω提高而變大，當轉速由100rad／min增加到500rad／min時，掃滾壁面速度由0.77m／s增加到7.25m／s。圖5為吸入口氣流速度分布，橫坐標為分析節點與吸入口后端距離，縱坐標為氣流速度。從圖5可以看出，當掃滾轉速ω一定時，入口氣流速度隨著A的不同而不同，氣流平均速度在A為0.35m時最大，為4.5m／s。由吸入口水平方向速度分布情況可以得出，靠近輸送直管附近的速度大于掃滾轉動的后方，這也進一步說明了掃滾的轉動可以提高吸入口內部的氣流流動速度，使得吸入口在作業過程中能夠更加容易地將地面物料吸起并運動到輸送直管。

吸入口空氣質量流量G與掃滾轉速ω、中心距之間關系曲線見圖6。從圖6可以看出，當掃滾轉速ω小于300rad／min時，吸入口空氣質量流量隨著A的增加而增加，掃滾轉速ω大于300rad／min時，隨著A增加而減小。

當吸入口掃滾轉速ω為300rad／min，中心距A為0.35m時，吸入口內部空氣質量流量和入口平均速度最大。此時，吸入口內部空氣質量流量為0.021kg／s，入口平均速度為4.5m／s。

圖6 吸入口空氣質量流量G與掃滾轉速ω、中心距之間關系曲線Fig.6 Relationship curve of air flow mass Gand roller rotational speedωand center distance A

3 結 論

1）基于動網格技術的MRF模型可以實現掃吸式吸入口內部流場的仿真分析研究。

2）對于作業寬度為0.4m的掃吸式吸入口，當掃滾轉速為300rad／min、輸料管與掃滾中心距為0.35m時，吸入口對于板結地面物料的收集效率最好。

［1］ 謝立楊.國外路面清掃車概況［J］.筑路機械與施工機械化（Road Machinery and Construction Mechanization），1991，8（6）：2－5.

［2］ 徐學耘.真空清掃車［J］.制冷空調與電力機械（Refrigeration Air Conditioning and Electric Power Mechinery），1993（3）：32－35.

［3］ 徐 寧，吳三達.吸掃式掃路車的總體設計與研究［J］.商用汽車雜志（Commercial Vehicle），2006（6）：40－45.

［4］ VAUGHN H R，OBERKAMPF W L，WOLFE W P.Fluid motion inside a spinning nutating fluid－filled cylinder［J］.Fluid Mech，1985，11：121－138.

［5］ MORUD K E，HJERTAGER B H.LDA measurements and CFD modelling of gas－liquid flow in a stirred vessel［J］.Chem Eng Sci，1996，51（2）：233－235.

［6］ DEEN N.An experimental and computational study of fluid dynamics in gas－liquid chemical reactors［D］.Denmark：Aalborg University，2001.

［7］ PLACEK J，TAVLARIDES L L，SMITH G W.Turbulent flow in stirred tanks（Ⅱ）：A two－scale model of turbulence［J］.AIChE，1986，32（11）：1 771－1 778.

Simulation analysis of flow field of sweeping and sucking style sucking inlet

CHEN Si－lin1，2，YANG Xu－dong1，MA Chun－lin2，QIU Shi2
（1.Northwestern Nuclear Technology Institute，Xi′an Shaanxi 710024，China；2.Northwestern Polytechnical University，Xi＇an Shaanxi 710068，China）

In view of the problem of model establishment in the simulation analysis，the Multi Reference Frame model is selected.The reduction formula of the velocity between absolute reference frame and relative reference frame is determined.Factors influencing air mass flow and speed at sucking inlet are studied by changing rotating speed and the distance between material transport pipe and the roller.According to the results，the structure size and operation parameters are optimized.The results show that the Multi Reference Frame model can realize the flow field simulation analysis.For assignment width of 400mm，when the roll speed is 300rad／min and the distance between transport pipe and roller is 350mm，the air mass flow and speed at sucking inlet are the largest.

sucking inlet；dynamic mesh；flow field analysis；MRF model

TP391.9

A

1008－1542（2012）02－0166－05

2011－09－29；

2011－12－01；責任編輯：王士忠

陳思林（1979－），男，甘肅會寧人，工程師，碩士，主要從事機械設計及計算流體方面的研究。