龍卷風在掃路車上的應用研究

林春瑋 許順林

福建龍馬環衛裝備股份有限公司 福建省龍巖市 364028

1 引言

掃路車的吸嘴是整部車工作效率高低的關鍵部分，其更加快速、高效的抽吸作業將會給產品帶來更高的經濟價值和使用價值。掃路車作為路面垃圾清掃的專用車輛，我國掃路車行業歷經數十年的發展，但相比國外的水平，還存在一定的差距。而龍卷風一向是災難的代名詞，破壞力之大令人望而生畏，具有持續時間短、風力大、破壞力強和難以預測等特點，目前對于龍卷風的形成機理尚沒有統一的定論。但是，研究人員在研究時發現了龍卷風具有一定的實際應用價值，并且制作了一系列的龍卷風發生裝置，成功制造出了人造龍卷風。本文將基于以上掃路車現狀和龍卷風可制造性的事實，將龍卷風（環形氣流）生成裝置嵌入到吸嘴的某個關鍵位置，力求起到事半功倍的效果。

2 國內掃路車氣力輸送系統發展現狀

掃路車氣力輸送系統由風機、吸嘴、風道、垃圾箱、過濾裝置等組成，其工作原理為，依靠風機強大的抽吸風力將密閉的垃圾箱抽成負壓，再通過負壓在吸嘴處產生的高速氣流將垃圾吸入垃圾箱體內，在這里，吸嘴起到了關鍵性的作用。

倪奕金[1]對目前主流的掃路車氣力輸送系統進行了系統地論述，并根據氣固兩相流理論和物體的懸浮理論，提出了整套的設計思路和計算方法。其中，對抽吸所需氣流速度一欄中，根據諾謨圖和相關文獻給出了系統所需的氣流速度和懸浮速度。

姜兆文[2]對掃路車的氣力輸送系統進行了詳細的理論研究計算和軟件仿真分析，確定了循環反吹風吸嘴結構在實際中的應用價值。循環反吹風吸嘴的原理即加大吸嘴內部的氣體流速，杜絕抽吸死角，反映了吸嘴中的氣流速度在整個氣力輸送系統中的關鍵性作用。

3 龍卷風生成裝置的制作可行性

國內學者主要采用理論分析和數值模擬的方法對龍卷風進行分析研究。湯卓[3]發展了考慮氣壓降的三維龍卷風風場模型，提出了封閉結構龍卷風荷載的計算方法，并給出了三維模型模擬產生的F1～F3級龍卷風的特征參數值。以F2級龍卷風為例，其最大切向風速Vmax已遠遠大于12級臺風的33m/s，并且其在中心處產生的負壓可將周圍的物體不斷聚集到風場中心。張冀喆[4]使用數值模擬方法對龍卷風進行研究，其制作的龍卷風生成裝置成功生成了龍卷風，該裝置可通過改變底部氣流的方向，來得到不同渦流比的龍卷風形態。

國外學者對龍卷風進行了大量研究。Rotunno[5]指出了數值模擬是現在獲取龍卷風風場數據的一個有效方法。而Robert[6]指出了龍卷風形成過程。在實驗研究方面，研究者制作了各種實驗室人造龍卷風生成裝置，驗證了人造龍卷風的實測數據已基本接近數值模擬數據[7-9]。

4 運用龍卷風原理的吸嘴方案研究

通過以上事實可知，目前國內掃路車的氣力輸送系統，只能通過提升風機功率來提升氣流速度，但此方法往往受到動力和空間的限制。與此同時，部分掃路車運用了反吹機構，但并未涉及使用環形氣流來提升氣流速度。而在龍卷風的研究方面，已經能夠借助計算機對其進行數值模擬和計算，并且能夠制造出龍卷風生成裝置，為龍卷風在掃路車上的運用打下了堅實基礎。

4.1 確定龍卷風生成裝置在吸嘴中的位置

姜兆文在《吸掃式掃路車總體設計及氣力輸送系統研究》中[10]，詳細地描述了塵粒的啟動過程。可以明確的是，吸嘴內塵粒的運動經過三個階段：首先是在啟動速度的作用下不斷聚集到吸嘴吸筒的底部；然后在吸筒底部互相碰撞繼而飛起，得以暫時懸浮在空中；最后再依靠吸筒內的氣流將塵粒通過吸筒送入垃圾箱體內。事實上，大部分塵粒在碰撞后并不是直接向上運動，而是要依靠氣流的作用力在克服自身重力后加速上升，也就是說，如果該區域內的氣流速度不夠，塵粒將跌落在地上并失去向上的直接推力，由此可見，下圖1中的塵粒碰撞加速區是抽吸的關鍵位置，最合適布置龍卷風生成裝置。

圖1 傳統吸嘴結構及抽吸簡圖

圖2 環形氣流吸嘴結構示意圖

4.2 環形氣流吸嘴結構設計

國外學者Robert指出，龍卷風是上升的氣流先在上空形成氣旋，再延伸至地面形成龍卷風，因此我們只要在傳統V型吸嘴的吸筒底部增設一個環形氣流生成室即可，如下圖2所示。該生成室下半部分呈圓筒狀，上半部分呈圓錐狀，起到氣流導向作用，在氣流生成室下半部分的圓筒周圍設置有六個反吹氣口，沿著圓筒周圍均勻分布，通過調整吹氣口的角度便可形成不同形態的龍卷風。同時，在吸嘴的前方左右對稱分別設置一個反吹氣口，作用是將左右側的垃圾推至吸筒下方。對于該裝置在吸嘴中起到的作用，以下從3個方面進行解析：

（A）環形氣流（龍卷風）的壓降作用。湯卓在《龍卷風風場模型及風荷載研究》中重點強調了龍卷風內部的氣壓降在其巨大破壞力中所起的關鍵性作用[7]，事實上，當氣流角度α調整到一定值時，實際氣流的徑向流速V2會大于切向流速V1，此時塵粒便不再往外甩出，而是相反地，運動半徑會不斷變小，同時隨上升的氣流向上運動，此外，還會在氣流的中心處形成一個氣壓降，而該氣壓降對貼附在地面處的塵粒具有真空抽吸的作用，這種效果是圍繞在塵粒周圍的氣流所無法達到的。與此同時，塵粒聚集在吸筒中心處，亦可避免塵粒與吸筒臂之間的直接碰撞和摩擦，減小上升阻力，如上圖2俯視圖所示。

（B）環形氣流對塵粒的加速作用。如上圖2主視圖所示，假設塵粒沒有受到環形氣流的作用，那么它會受到一個單純向上的氣流作用力F1，而當同時受到環形氣流作用力F2時，實際受到的作用力為二者的合力F，根據勾股定理，這個合力要永遠大于兩個分力，因此相比于只有力F1的作用，在合力作用下，塵粒可以再相同時間內獲得更大的速度。

（C）可在局部形成高速環形氣流，使貼附在地面處的塵粒得到加速，繼而相互碰撞飛起懸浮在空中，有利于后續的垂直抽吸。同時，利用風機所排氣體進行反吹的方式，使得氣體在一個密閉的空間內得到循環利用，有效減少對周圍的大氣粉塵污染，并同時免去了體積龐大且難以維護清洗的空氣過濾裝置，節約了經濟成本。

5 結語

本文分別從掃路車的氣力輸送系統發展現狀和龍卷風的制作可行性入手，根據吸嘴的實際應用需要，將龍卷風原理融入到了吸嘴當中。該方案中的吸嘴創造性地利用風機尾氣在吸嘴吸筒底部制造了環形氣流（龍卷風），此處的環形氣流在吸嘴的作業中起到了壓降抽吸、塵粒加速和氣體循環利用的作用，有效提高掃路車的抽吸效率并減少對周圍氣體的二次污染。