補氣孔對掃路車吸嘴吸塵性能的影響

覃先云++肖慶麟++伍乾坤++周楓林++徐浩

摘要： 應用可實現的kε湍流模型和離散相模型對掃路車吸嘴內腔氣固兩相流進行數值模擬，研究補氣孔對吸嘴吸塵性能的影響.模擬結果表明：從補氣孔進入高速氣流可以明顯加強吸嘴內腔靠近路面處氣流強度和吸管底部上升氣流強度，有利于塵粒揚起和提升并進入吸管.單個塵粒運動軌跡追蹤表明補氣孔產生的氣流能使塵粒在吸嘴內的運動更順暢.塵粒軌跡統計結果表明：補氣孔極大降低塵粒在吸嘴內滯留的比例和平均停留時間，顯著提高吸嘴吸拾塵粒能力.

關鍵詞： 掃路車； 吸嘴； 補氣孔； 吸塵性能； 氣固兩相流； 數值模擬

中圖分類號： TH412文獻標志碼： B

0引言

高速公路及城市硬化路面的迅速增長，需要投入更多的掃路車進行清掃保潔作業.掃路車的氣路系統是決定作業性能的核心部分，其主要由風機、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，通常需提高風機轉速或選用更大型號風機增大風量和風壓，但同時作業能耗和噪聲迅速增加.[1]因此，研究吸嘴的關鍵設計要素對其吸塵性能的影響特點，用于指導吸嘴改進設計，在不改變風機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，國內外很多學者開展有價值的研究.陳忠基等[1]利用試驗裝置對吸嘴的吸塵能力進行研究，發現吸嘴空腔結構改變和離地高度變化對其吸塵能力有重要影響.歐陽智江等[2]應用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術研究導流式的卷邊結構對吸嘴進入氣流的影響.曾廣銀等[3]和徐云等[4]通過CFD仿真分析對吸塵系統進行優化設計.朱伏龍等[5]對純吸式掃路車吸嘴進行流場模擬和優化.姜兆文等[6]對掃路車不同吸嘴流場進行對比分析.臺冰豐等[7]借助CFD技術優化吸嘴結構設計.上述仿真分析主要側重于優化吸嘴內部氣流流場，缺乏研究吸嘴內部流場特征與吸拾塵粒性能之間的關系，具有一定的局限性.WU等[8]對純吸式真空掃路車吸嘴內腔進行局部改進，并通過數值方法研究改進部分對吸嘴內部流場和吸塵性能的影響特點.

本文通過實驗首次發現在吸嘴上設計合理的補氣孔可以有效提高吸塵效率.采用補氣孔這一新設計思路提高吸嘴吸塵能力，不同于傳統設計方法.傳統方法一直認為在吸嘴上開孔會導致其內腔負壓降低且分布方式發生改變，不利于實現真空吸塵.為探究補氣孔對吸嘴吸塵性能的影響機理，利用CFD方法對吸嘴內腔氣固兩相流進行數值模擬分析.采用可實現的kε湍流模型[910]模擬吸嘴內腔氣流場，分析從補氣孔進入的氣流對整個內腔氣流場的影響.利用離散相模型[1013]對塵粒運動軌跡進行追蹤，通過對比分析有無補氣孔時塵粒的運動特征，研究補氣孔對吸塵性能的影響機理.

1數學模型

1.1氣流湍流模型

吸嘴內腔連續流動的氣體可視為定常、恒溫和不可壓縮氣相，采用時均形式的NS方程求解.為較好地反映吸嘴內腔強烈旋轉式氣流的湍流程度，采用由SHIH等[9]提出的可實現的kε模型計算.在時均應變率特別大的情況下，標準kε模型可能導致負的正應力.為使流動符合湍流的物理定律，需要對正應力進行相應的數學約束.為保證這種約束的實現，需使湍流動能黏度計算式中的系數Cu與應變率聯系起來，不再為常數.可實現的kε模型關于k和ε的輸送方程[910]如下.

湍流動能k方程

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μtσkkxj+Gk-ρε（1）

湍流動能耗散率ε方程

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

式中：ui為平均速度分量；xi為坐標變量；ρ為流體密度；v為運動黏度；E為時均應變率；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能k的產生項，Gk=μtuixj+ujxiuixj（3）式中：μt為湍動黏度，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均轉動轉速張量分量，顯然，對于無旋轉流場，U*式中的第2項為零，這一項專門用來表示旋轉的影響，是本模型區分于標準kε模型的主要特點之一.

1.2塵粒運動模型

利用基于EulerLagrange方法的離散相模擬塵粒在吸嘴內腔氣流中的運動軌跡，分析補氣孔對吸嘴吸拾塵粒過程的影響.單個粒子的運動軌跡可以通過對粒子的受力平衡方程的積分計算得到.考慮氣流對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為流體對粒子的黏性曳力；Fg為重力；Fs為流體對粒子的提升力；mp為粒子質量；up為粒子速度.

黏性曳力計算公式[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（具體計算見文獻[13]）；Rep為粒子雷諾數；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]提出流體對粒子的提升力Fs=2Κν1/2ρdijρpdp（dlkdkl）1/4（u-up）（10）式中：K為常數，取2.594；ν為運動黏度；dij，dlk和dkl為變形張量分量.

2數值模擬

2.1網格劃分

掃路車吸嘴簡化模型見圖1.補氣孔位于吸嘴頂板前部且與內腔連通.吸嘴內部流場計算的網格模型見圖2，由GAMBIT前處理軟件劃分為705 324個四面體單元.網格經光順等處理，質量滿足計算要求.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入.

圖 1掃路車吸嘴簡化模型

Fig.1Simplified model of suction mouth of road sweeper

2.2邊界條件

附加空氣域表面設置為氣相壓力進口邊界，其壓力大小為1個大氣壓，相對壓力取0.與吸嘴內腔連通的吸管出口表面設置為壓力出口邊界，其壓力大小由掃路車作業時測試得到，取-6 500 Pa.吸嘴內腔壁面設置為運動壁面，以模擬吸嘴向前移動作業，其運動速度等于作業車速，本次計算取10 km/h.網格模型底部平面為靜止壁面，表示路面.

圖 2吸嘴網格模型

Fig.2Mesh model of suction mouth

計算所用的塵粒分布數據由掃路車試驗用塵粒測試得到，不同粒徑范圍的塵粒所占的質量百分比見表1.

表 1計算采用的塵粒直徑和質量百分比

Tab.1Dust particle diameter and mass percentage for

computation直徑/mm質量百分比/%0～0.20.50.2～0.56.50.5～1.015.01.0～1.530.0直徑/mm質量百分比/%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的粒子質量比例；n表示分布特征參數.根據相關公式可計算出d-為1.686 mm，n為2.82.

在實際路面吸拾塵粒試驗中，觀察到塵粒在距吸嘴前擋板30 mm處開始運動，再進入到吸嘴內腔.因此，模擬塵粒分布區域設置在距吸嘴前端面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φ取0.8.φ的定義為φ=S1S2（12）式中：S1為與不規則形狀粒子質量和密度相等的球體表面積；S2為粒子的實際表面積.塵粒與吸嘴內壁設置為彈性碰撞，壁面法向和切向的動量傳遞因數分別為0.9和0.8.

2.3求解

應用FLUENT 12.0中的有限體積法數值離散氣流的控制方程，對流項為2階迎風差分格式，采用Simplec算法求解.由于塵粒占整個氣流的體積分數較小（<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.利用離散隨機軌道模型模擬氣流湍流脈動對塵粒運動的影響.[8]

利用出口邊界塵粒流量與入射面塵粒流量百分比，作為評估吸嘴吸拾塵粒性能的主要參數指標，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.

當塵粒運動到壓力出口邊界時，表示塵粒被吸收；當塵粒運動到壓力進口邊界時，表示塵粒逃逸到吸嘴內腔外；當在指定的時間步長內塵粒沒有運動到壓力出口和進口邊界時，表示塵粒殘留在吸嘴內腔內，沒有被有效吸拾.

3模擬結果和分析

3.1內腔氣流場

為便于分析補氣孔對吸嘴內腔流場的影響，取位于補氣孔處距吸嘴中截面45 mm處的截面流場為分析對象.截面氣流流線見圖3.從圖3a看出，外部氣流從補氣孔進入內腔后，集中形成一股幾乎垂直于路面方向運動的氣流，沖擊路面后沿水平方向高速運動一段距離，再上升進入吸管.結合圖3b，對比兩者的流線明顯可以看出，增加補氣孔使沿近路面水平方向的氣流（圖中的A區）和吸管底部的上升氣流（圖中的B區）強度均增加.沿近路面的氣流強度增加，有利于將塵粒從路面揚起并向吸管處運動.吸管底部的上升氣流強度增加，有利于將從四周匯聚的塵粒提升進入吸管.另外，從補氣孔進入的氣流直接沖擊路面，有利將位于路面凹陷孔洞內的塵粒吹起被后續吸拾，從而提高實際路面的吸塵效率.截面的靜壓分布云圖見圖4.由此可知：補氣對吸嘴吸附內腔的靜壓分布影響較小，但可以改善吸管口處的靜壓分布.有補氣孔時局部低負壓區明顯減少，見圖4a圓圈標記處.利用FLUENT后處理功能得到無補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.增加補氣孔后氣流阻力降低2.7%，出口流量增加3.9%，對吸嘴內腔的氣流阻力和流量影響較小.設計合理過流面積的補氣孔，對吸嘴的阻力特性影響較小，不會造成流量增加過大而改變掃路車整個氣路系統作業特征，如改變風機有效作業區間和增加能耗等.a）有補氣孔b）無補氣孔圖 3截面氣流流線

Fig.3Gas flow stream lines on section

a）有補氣孔b）無補氣孔

圖 4截面靜壓云圖

Fig.4Contours of static pressure on section3.2單個塵粒追蹤

追蹤不同直徑的塵粒在有無補氣孔的吸嘴內的運動軌跡，比較分析補氣孔對塵粒運動的影響特點.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氣孔和無補氣孔吸嘴內腔的運動軌跡見圖5和6.對比塵粒軌跡，可以看出相同直徑的塵粒在有補氣孔的吸嘴內運動較順暢.當直徑為0.05和0.20 mm時，在有補氣孔吸嘴內的塵粒從路面向吸管提升位置比無補氣孔的靠前.這主要是由于從補氣孔進入的高速氣流產生的提升力和曳力促進塵粒提升.當直徑為0.75 mm時，塵粒在無補氣孔吸嘴內運動軌跡比有補氣孔的復雜得多，反復與內壁發展碰撞.從補氣孔進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生碰撞，并且使塵粒向上提升進入吸管.

a）d=0.05 mmb）d=0.20 mmc）d=0.75 mm圖 5有補氣孔時不同直徑塵粒在吸嘴內腔的運動軌跡

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無補氣孔時不同直徑塵粒的運動軌跡

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的停留時間見表2.隨著粒子直徑的增大，停留時間均增加.相同直徑的塵粒在有補氣孔的吸嘴內停留時間明顯小于無補氣孔吸嘴的，說明設計補氣孔后塵粒在吸嘴內運動更順暢，可以更快進入吸管被吸收.

表 2不同直徑塵粒在吸嘴內的停留時間

Tab.2Residence time of dust particles with

different diameters in suction mouth粒子直徑/mm0.050.200.75有補氣孔停留時間/s0.0210.0380.062無補氣孔停留時間/s0.0280.0760.131

3.3塵粒運動統計分析

本文第2.2節中描述的入射塵粒在有無補氣孔的吸嘴內運動追蹤軌跡見圖7.通過比較發現，塵粒在兩吸嘴內的總體運動形式一致，但塵粒在有補氣孔的吸嘴內停留時間更短.塵粒在不同吸嘴內運動追蹤結果的統計值見表3.有補氣孔吸嘴的吸拾塵粒效率為86.24%，比無補氣孔吸嘴的吸拾效率提高12.62%.塵粒在有補氣孔吸嘴的平均停留時間為0.72 s，比無補氣孔的降低0.21 s，說明塵粒在有補氣孔吸嘴內運動更順暢.塵粒在無補氣孔吸嘴滯留百分比達25.08%，設計補氣孔后滯留百分比降低到12.94%.表3中的各項統計值充分表明補氣孔可以顯著提高吸嘴吸塵性能.a）有補氣孔b）無補氣孔

圖 7塵粒在吸嘴內的運動軌跡

Fig.7Trajectories of dust particles in suction mouth

表 3改進吸嘴與傳統吸嘴吸塵性能比較

Tab.3Comparison of dust suction performance between improved and traditional suction mouths性能參數無補氣孔吸嘴有補氣孔吸嘴吸拾效率/%73.6286.24塵粒停留平均時間/s0.930.72塵粒滯留質量百分比/%25.0812.94塵粒逃逸質量百分比/%1.300.824結論

應用氣固兩相流理論數值研究補氣孔對掃路車吸嘴吸塵性能的影響及其機理，得到以下主要結論.

1）從補氣孔進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度，有利于提高吸塵能力.

2）單個粒子運動追蹤表明，補氣孔產生的氣流能使塵粒在吸嘴內運動更順暢，被吸收的時間更短.

3）塵粒運動統計分析表明，補氣孔可極大降低塵粒在吸嘴內滯留比例和平均停留時間，塵粒吸拾效率由73.62%提高為86.24%.

4）本文設計的補氣孔可使整個吸嘴的氣流阻力降低2.7%，出口流量增加3.9%，對阻力和流量影響較小.因此，設計合理大小和位置的補氣孔，不會導致流量增加過大而改變掃路車整個氣路系統原有有效工作區間.參考文獻：

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