龍卷風(fēng)原理的吸塵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場仿真分析

劉曉靜, 章易程, 劉 凡, 吳強(qiáng)運(yùn), 張鳴鳳, 郭員暢

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 長沙 410075； 2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院, 廣州 511434)

目前，吸塵裝置主要有純吸式、純掃式和吸掃結(jié)合式3種，其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對于提升垃圾清掃效率具有重要意義[1]，為此學(xué)者們研究了吸塵裝置的擴(kuò)展域參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對清掃效果的影響規(guī)律. 文獻(xiàn)[1]首次提出吸嘴擴(kuò)展域?qū)Ψ抡娣治龃嬖诘挠绊懀⒅赋鰯U(kuò)展域參數(shù)對仿真的影響存在一個閾值，當(dāng)參數(shù)超過閾值時，其影響可以忽略不計(jì)；文獻(xiàn)[1-2]通過流場仿真研究還指出：吸嘴擴(kuò)展域有無轉(zhuǎn)角對計(jì)算精度影響并不大. 上述研究對流場仿真中擴(kuò)展域的參數(shù)設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義. 對于傳統(tǒng)吸塵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究則多是針對其吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，如文獻(xiàn)[3-5]分析了吸塵裝置吸嘴的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵效果的影響. 文獻(xiàn)[6]除分析吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還以吸嘴吸塵部分的局部壓力損失最小為目標(biāo)，對吸嘴相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì). 雖然上述對吸塵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)以及擴(kuò)展域的研究對提高吸塵效果具有重要指導(dǎo)意義，但仍難以滿足道路的高效清掃需求.

而自然界中龍卷風(fēng)的破壞力驚人，龍卷風(fēng)內(nèi)部的空氣稀薄，壓力極低，這使得龍卷風(fēng)具有強(qiáng)大的卷吸能力[7]，因此研究者們對龍卷風(fēng)作了很多研究. 現(xiàn)階段，關(guān)于龍卷風(fēng)的研究主要是針對龍卷風(fēng)本身的機(jī)理與龍卷風(fēng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[7]在人造龍卷風(fēng)形成機(jī)理的研究中提出生成龍卷風(fēng)的兩個必要條件：有誘導(dǎo)旋流和在流場中能形成一個稱為漩渦生成區(qū)的流動區(qū)域，文獻(xiàn)[7]還指出龍卷風(fēng)的生成與射抽流量比有關(guān). 文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬的方法研究了龍卷風(fēng)的速度分布，分析了各種因素對龍卷風(fēng)風(fēng)場造成的影響，并在ward型龍卷風(fēng)發(fā)生裝置[9]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造了能成功產(chǎn)生龍卷風(fēng)的發(fā)生裝置. 文獻(xiàn)[10]則針對龍卷風(fēng)發(fā)生裝置進(jìn)行風(fēng)場模擬,獲得了風(fēng)場的切向速度和徑向速度，并將仿真的結(jié)果與實(shí)際速度值對比，驗(yàn)證了仿真的可行性.

由于龍卷風(fēng)較強(qiáng)的卷吸能力，本文嘗試將龍卷風(fēng)原理應(yīng)用于清掃中，探索性研究如何利用龍卷風(fēng)的卷吸能力進(jìn)行垃圾清掃，基于龍卷風(fēng)卷吸原理設(shè)計(jì)了一個有別于現(xiàn)階段吸塵裝置的新型機(jī)械吸塵裝置. 本文研究目標(biāo)是一種基于龍卷風(fēng)卷吸原理的新型吸塵裝置，因此無法直接采用上述研究結(jié)論. 本文首先基于龍卷風(fēng)原理建立機(jī)器吸塵裝置的模型，然后利用近地面平均風(fēng)速、壓差、與吸嘴進(jìn)風(fēng)口平均壓強(qiáng)為清掃效果評價指標(biāo)，采用流場仿真方法，針對該新型吸塵裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，以達(dá)到提高裝置的清掃效率和增強(qiáng)裝置的清掃效果的目的，在此基礎(chǔ)上，對該新型裝置流場的擴(kuò)展域的形狀及其參數(shù)閾值的規(guī)律進(jìn)行研究，試圖為該流場的擴(kuò)展域的選定提供依據(jù).

1 幾何模型

1.1 基本原理與結(jié)構(gòu)介紹

圖1為基于龍卷風(fēng)發(fā)生原理的吸塵裝置的三維圖. 本吸塵裝置包括：1個環(huán)流通道I，8個導(dǎo)流孔II，1個總進(jìn)氣管道III，1個吸嘴IV和1個排塵口V. 總進(jìn)氣管道吹入空氣，空氣經(jīng)過導(dǎo)流孔形成具有切向速度的氣流，圓筒上方的負(fù)壓使得這些具有切向速度的氣流聚束起來并形成龍卷風(fēng). 參考城市道路清掃車吸塵系統(tǒng)[11]的尺寸，一般的城市道路清掃吸塵系統(tǒng)中的吸嘴工作寬度通常在250 ～620 mm之間，本裝置尺寸如圖2所示.

I—環(huán)流通道；II—導(dǎo)流孔；III—總進(jìn)氣管道；IV—吸嘴；V—排塵口

圖1 基于龍卷風(fēng)發(fā)生原理的吸塵裝置

Fig.1 The dust collector based on the tornado generation principle

(a)主視圖 (b)俯視圖

Fig.2 Dimensions of the dust collector based on the tornado generation principle (mm)

1.2 流場計(jì)算區(qū)域

根據(jù)基于龍卷風(fēng)發(fā)生原理的吸塵裝置的物理模型，建立流體計(jì)算域，如圖3所示. 本裝置的計(jì)算域共分為7個部分，其中1、2、3、4、5、6分別為排塵口計(jì)算域、環(huán)流通道計(jì)算域、導(dǎo)流孔計(jì)算域、吸嘴計(jì)算域、總進(jìn)氣管道計(jì)算域、地面計(jì)算域；7為擴(kuò)展域.

抽取裝置內(nèi)部的流場得到流場計(jì)算域中的1、2、3、4、5部分. 考慮到本裝置上部出口連接排塵管道，所以增加了流場計(jì)算域的第1部分作為排塵口計(jì)算域使得出口處的氣流得到充分的發(fā)展，達(dá)到了更貼近實(shí)際情況和提高計(jì)算精度的目的. 流場計(jì)算域的第6部分為吸嘴進(jìn)風(fēng)口和地面之間的流場計(jì)算域，直接與擴(kuò)展域連通. 流場計(jì)算域的第7部分為流場計(jì)算域擴(kuò)展域部分，是由吸嘴進(jìn)風(fēng)口與地面之間的區(qū)域以及吸嘴進(jìn)風(fēng)口以上的一部分區(qū)域組成的，由于龍卷風(fēng)是旋轉(zhuǎn)渦流，因此這部分設(shè)計(jì)成圓柱形.

1.3 擴(kuò)展域及結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖2(b)與圖4所示，θ為導(dǎo)流孔傾斜角度，D1為吸嘴以及排塵口管道直徑，D2為擴(kuò)展域直徑，H1為擴(kuò)展域高度，H2為近地面計(jì)算域高度，H3為排塵口高度.

(a)流場計(jì)算域正三軸測圖 (b)流場計(jì)算域仰視圖

1—排塵口計(jì)算域；2—環(huán)流通道計(jì)算域；3—導(dǎo)流孔計(jì)算域；4—吸嘴計(jì)算域；5—總進(jìn)氣管道計(jì)算域；6—近地面計(jì)算域；7—擴(kuò)展域

圖3 流場計(jì)算域

Fig.3 Computational domain of the flow field

圖4 裝置參數(shù)

由于吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于吸塵裝置具有重要影響，參考一般道路清掃車吸嘴的寬度，本裝置的D1的初始取值為500 mm. 考慮到實(shí)際流場范圍比吸嘴的直徑大，且高度超過吸嘴距地面的高度，所以H1的初始值不妨取200 mm. 擴(kuò)展域直徑D2應(yīng)盡可能大，其初始值不妨取6 000 mm，這樣才能保證流場的充分發(fā)展；排塵口計(jì)算域1的直徑是由吸嘴直徑?jīng)Q定的，而其高度H3足夠高才能不影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在此不妨取其初始值為1 800 mm；本吸塵裝置的卷吸效應(yīng)主要來源于導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔的傾斜角度θ可能極大地影響吸塵裝置內(nèi)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，由于θ受本裝置設(shè)計(jì)的導(dǎo)流孔直徑與數(shù)量的影響，其變化為-45°～45°，不妨其初始值取為45°；近地面計(jì)算域高度H2主要是由清掃對象的尺寸大小決定的，一般為10～20 mm[12]，在此不妨取其初始值為20 mm；擴(kuò)展域的高度和直徑、排塵口的高度及近地面高度均對仿真結(jié)果有很大影響，隨著這些參數(shù)的變化，近地面風(fēng)速、壓強(qiáng)和圓筒進(jìn)風(fēng)口的壓強(qiáng)也發(fā)生著變化. 因此，選用6個幾何變量對基于龍卷風(fēng)卷吸原理的吸塵裝置進(jìn)行流場仿真研究，計(jì)算時選其中1個參數(shù)作為變量，分別研究其余參數(shù)的變化對流場仿真結(jié)果精度的影響規(guī)律. 根據(jù)圖2的裝置尺寸，各參數(shù)初始值分別為H3=1 800 mm、H2=20 mm、θ=45°、D2=200 mm、H1=6 000 mm、D1=500 mm.

渦流比是表征裝置產(chǎn)生的類龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)特征的一個無量綱量[13]，渦流比S定義為

(1)

式中：Vτ為切向速度；Vr為徑向速度；R0為圓筒的半徑，當(dāng)D1=500 mm時，R0=250 mm；H0為氣體環(huán)流通道的高度，如圖2(a)所示，H0=200 mm.

在本裝置中，可影響到渦流比的參數(shù)為導(dǎo)流孔傾斜角度、導(dǎo)流孔數(shù)量、進(jìn)氣速度與D1/H0，由于影響因素較多，因此在本文后續(xù)研究中，對導(dǎo)流孔數(shù)量、進(jìn)氣速度與D1/H0進(jìn)行固定，即只研究導(dǎo)流孔傾斜角度改變時的渦流比. 仿真研究的具體參數(shù)組合方案見表1.

2 仿真理論基礎(chǔ)

2.1 流場方程

仿真模擬中，在計(jì)算誤差允許的范圍內(nèi)對模型進(jìn)行必要的簡化并給出以下基本假定：1)假定空氣為不可壓縮流體；2)假定空氣為粘性牛頓流體，即空氣的動力粘度恒定，不隨速度梯度的變化而變化；3)計(jì)算中不考慮空氣重力影響. 流場遵循以下動力學(xué)方程.

1)連續(xù)性方程：

(2)

式中：ρ為流體密度，v為流體速度，t為時間.

2)動量方程：

(3)

式中：p′=p+(2μ/3-ξ)v；μe=μ+μT,μT=ρCμk2/ε；根據(jù)文獻(xiàn)[14]，Cμ=0.09.

3)RNGk-ε方程[14]. 由于該吸塵裝置內(nèi)部流場雷諾數(shù)Re=9×105～2.57×106，該流場屬于湍流，且流場有旋轉(zhuǎn)及旋流流動的情況，文獻(xiàn)[15-16]在對龍卷風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬時使用RNGk-ε模型，其計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)可靠，所以本文計(jì)算模型采用RNGk-ε方程：

(4)

(5)

2.2 網(wǎng)格劃分

由于本文的清掃裝置內(nèi)流場比較復(fù)雜，所以，所有的研究組別均采用 ANSYS MESH 16.0進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分. 為準(zhǔn)確捕捉吸塵裝置內(nèi)流場與渦結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，對裝置內(nèi)導(dǎo)流孔區(qū)域等處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，另外，為了充分解決壁面附近的氣流，捕捉氣流的分離位置，運(yùn)用Inflation膨脹層劃分邊界層網(wǎng)格. 控制邊界層第1層網(wǎng)格高度在5×10-4m左右，同時保證各參數(shù)組合下裝置壁面的y+值均在30～150之間.

為了確保本文采用的網(wǎng)格尺度達(dá)到數(shù)值仿真的要求，即繼續(xù)加密網(wǎng)格不會對流場結(jié)果造成較大的影響，對采用初始參數(shù)值的幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，分別采用0.12、0.08、0.04 m的粗、中、細(xì)3套網(wǎng)格尺度劃分網(wǎng)格，對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量為352 059、702 622、1 606 387. 圖5是根據(jù)圖2中的結(jié)構(gòu)尺寸和擴(kuò)展域幾何變量的初始值繪制的幾何模型采用中等網(wǎng)格尺度劃分的網(wǎng)格模型. 圖6為不同網(wǎng)格對吸塵裝置軸線上的速度仿真結(jié)果的影響曲線，由圖6可知，粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格的速度仿真值之間差別較大，而中等網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格的速度仿真值之間差別較小. 考慮計(jì)算精度與計(jì)算資源，因此本文采用中等網(wǎng)格尺度進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

圖5 基于龍卷風(fēng)發(fā)生原理的初始吸塵裝置網(wǎng)格模型

Fig.5 Grid model of the dust collector based on the tornado generation principle using initial values

圖6 不同網(wǎng)格尺度對吸塵裝置軸線上速度的影響曲線

Fig.6 Effect curve of different grid scales on the velocity along the axis of the dust collector

表2給出了不同研究參數(shù)時的幾何模型采用中等網(wǎng)格尺度劃分網(wǎng)格得到的網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)值，由表2可知，網(wǎng)格的單元最大扭曲度均小于0.9，平均扭曲度均小于0.26，最大縱橫比均未大于40，平均縱橫比均小于3，平均正交程度質(zhì)量均在0.85左右，其網(wǎng)格質(zhì)量均符合本文仿真要求[17].

表2 不同研究變量下的網(wǎng)格數(shù)與網(wǎng)格質(zhì)量范圍

2.3 邊界條件設(shè)置

由于總進(jìn)風(fēng)口吹入的空氣經(jīng)過環(huán)流通道和導(dǎo)流孔會有沿程損失和局部損失，所以為了使氣流具有足夠的切向速度，總進(jìn)風(fēng)口吹入的空氣需要足夠的風(fēng)速. 排塵口的負(fù)壓也要足夠大才能使得產(chǎn)生的具有切向速度的氣流聚束起來形成龍卷風(fēng)并且向上方運(yùn)動. 1)總進(jìn)風(fēng)口定義為速度入口，風(fēng)速為60 m/s；2)排塵口出口處定義為壓力出口，相對壓力值為-3 000 Pa；3)與大氣連通的擴(kuò)展域表面為壓力入口，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；4)地面及模型的內(nèi)部邊界均定義為壁面；5)模型內(nèi)部空氣流動的地方定義為流體.

2.4 算法選擇

流場計(jì)算選擇Fluent軟件壓力基求解器完成，三維定常計(jì)算，迭代步數(shù)設(shè)為10 000步，求解器的收斂精度設(shè)為1.0×10-6，各項(xiàng)計(jì)算量不斷進(jìn)行迭代，直至殘差均低于收斂精度時停止計(jì)算. 選用RNGk-ε湍流模型和增強(qiáng)壁面函數(shù)，計(jì)算方法采用壓力-速度耦合SIMPLE算法. 壓力插值選擇Standard格式，動量方程、湍動能和湍流耗散率的離散方式均采用二階迎風(fēng)離散格式，保證計(jì)算精度.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 評價指標(biāo)

塵粒啟動理論[18]指出：當(dāng)近地面氣流平均速度大于塵粒啟動速度時，塵粒才能被順利吸起，吸嘴進(jìn)風(fēng)口處的負(fù)壓大有利于塵粒吸入吸嘴中. 并且隨著擴(kuò)展域越來越接近真實(shí)的流場情況，近地面風(fēng)速以及吸嘴進(jìn)風(fēng)口處的負(fù)壓都應(yīng)該趨向于一個穩(wěn)定的值. 所以，本文借助吸嘴覆蓋區(qū)域的近地面氣流的平均速度和吸嘴進(jìn)風(fēng)口平均壓強(qiáng)來判斷擴(kuò)展域參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響. 由于龍卷風(fēng)其內(nèi)外有較大的氣壓差，所以具有極強(qiáng)的抽吸能力以及破壞力[19]. 本文采用圓筒中心區(qū)和壁面區(qū)的壓差作為評價形成的龍卷風(fēng)的好壞的指標(biāo)，判別形成的龍卷風(fēng)的強(qiáng)度. 綜上所述，本文選擇近地面平均風(fēng)速、壓差和吸嘴進(jìn)風(fēng)口平均壓強(qiáng)作為對擴(kuò)展域與結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的評價指標(biāo).

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響

3.2.1 排塵口高度的分析

圖7是根據(jù)仿真結(jié)果得到的排塵口高度H3對近地面平均風(fēng)速及入口平均壓強(qiáng)的影響曲線. 由圖7可以看出，隨著排塵口高度H3的逐漸增加，近地面平均風(fēng)速先增后減，入口平均壓強(qiáng)出現(xiàn)波動，在H3/D1增加到1.6時，此時的近地面平均風(fēng)速和入口平均壓強(qiáng)達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，即再增加排塵口高度對人造龍卷風(fēng)的生成以及清掃效果的評估幾乎沒有影響.

圖7 排塵口高度的影響曲線

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)排塵口高度H3的值太小時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)的上部得不到充分的發(fā)展，所以隨著H3的值的增加，龍卷風(fēng)在上部的發(fā)展?fàn)顩r也在不斷改變，這就造成了近地面平均風(fēng)速和入口平均壓強(qiáng)隨著H3的值改變而改變，當(dāng)H3/D1達(dá)到1.6時，此時的排塵口高度已經(jīng)滿足了龍卷風(fēng)的上部的完全發(fā)展，所以再增大H3的值時，對本裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)幾乎沒有影響了，此時近地面平均風(fēng)速和入口平均壓強(qiáng)均達(dá)到了一個相對穩(wěn)定的值.

3.2.2 近地面計(jì)算域高度的分析

由于近地面計(jì)算域高度H2決定著擴(kuò)展域的高度H1，所以在研究擴(kuò)展域的高度之前先對近地面計(jì)算域的高度H2進(jìn)行研究. 圖8是根據(jù)仿真結(jié)果得到的排塵口無量綱高度H3/D1=1.6時近地面計(jì)算域在不同高度H2下的圓筒區(qū)內(nèi)部的軸向壓力分布云圖.圖9為近地面計(jì)算域高度變化對渦核中心位置的影響曲線，其中L/D1為渦核中心與圓筒區(qū)中心的無量綱距離. 由圖8、9可以看出，隨著近地面計(jì)算域高度H2的逐漸增加，本裝置形成的渦的渦核逐漸靠近吸嘴的中心并且變成規(guī)則的圓形，當(dāng)H2/D1=0.2時，渦核處于吸嘴的中心，當(dāng)近地面計(jì)算域高度H2繼續(xù)增大時渦核偏離進(jìn)風(fēng)口的中心且變得不規(guī)則.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)近地面計(jì)算域高度H2的值很小時，吸嘴內(nèi)的氣流與大氣連通度太低，對龍卷風(fēng)的生成造成了阻礙，所以生成的龍卷風(fēng)的渦核不規(guī)則且偏離吸嘴的中心. 當(dāng)H2/D1=0.2時，此時的吸嘴內(nèi)部的氣流和大氣的連通度剛好，有利于龍卷風(fēng)的生成，所以此時的龍卷風(fēng)從云圖上可以看出其渦核是規(guī)則的圓形且位置在吸嘴的中心. 當(dāng)H2/D1>0.2時，由于吸嘴距地面太高，所以受大氣的影響很大，此時大氣中的氣流流動對吸嘴內(nèi)的龍卷風(fēng)的形成造成了干擾，生成的龍卷風(fēng)的渦核逐漸變得不規(guī)則且遠(yuǎn)離了吸嘴的中心.

圖8 近地面計(jì)算域高度不同時圓筒內(nèi)部壓力分布云圖

圖10是根據(jù)仿真結(jié)果得到的近地面計(jì)算域高度H2對吸嘴內(nèi)壓差及近地面平均風(fēng)速的影響曲線. 從圖10可以看出，當(dāng)H2/D1<0.2時，吸嘴內(nèi)的壓差值及近地面平均風(fēng)速逐漸增大；當(dāng)H2/D1=0.2時，吸嘴內(nèi)壓差值及近地面平均風(fēng)速值出現(xiàn)了閾值，此時在吸嘴內(nèi)生成的龍卷風(fēng)的強(qiáng)度大且穩(wěn)定性好；當(dāng)H2/D1>0.2時，吸嘴內(nèi)的壓差值及近地面平均風(fēng)速逐漸減小.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：壓差可以直觀反映龍卷風(fēng)的強(qiáng)弱和穩(wěn)定性，當(dāng)本裝置生成的龍卷風(fēng)強(qiáng)且穩(wěn)定時其中心處和外圍的壓差就會相對較大，同時具有更強(qiáng)的卷吸能力，所以當(dāng)H2/D1<0.2時其壓差和近地面平均風(fēng)速隨著H2的增加而增大；當(dāng)H2/D1=0.2時其壓差和近地面平均風(fēng)速達(dá)到閾值且值最大，因?yàn)榇藭r裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)最穩(wěn)定且強(qiáng)度最大；當(dāng)H2/D1>0.2時，裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)強(qiáng)度漸漸減小，所以壓差值和近地面平均風(fēng)速也逐漸減小.

圖9 近地面計(jì)算域高度對渦核中心位置的影響曲線

Fig.9 Effect curve of the height of the near-ground computational domain on the center position of the vortex core

圖10 近地面計(jì)算域高度的影響曲線

Fig.10 Impact curve of the height of the near-ground computational domain

3.2.3 導(dǎo)流孔傾斜角度的分析

圖11、12是根據(jù)仿真結(jié)果得到的導(dǎo)流孔傾斜角θ對近地面平均風(fēng)速、入口平均壓強(qiáng)及壓差的影響曲線. 由圖11、12可以看出，當(dāng)θ>0°時，隨著導(dǎo)流孔傾角θ的逐漸增大，近地面平均風(fēng)速逐漸增大，入口平均壓強(qiáng)逐漸減小，壓差逐漸增大；當(dāng)θ<0°時，隨著導(dǎo)流孔傾角θ的逐漸減小，近地面平均風(fēng)速逐漸增大，入口平均壓強(qiáng)逐漸減小，壓差逐漸增大；當(dāng)θ=45°或θ=-45°時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)的渦流比為0.625，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)最穩(wěn)定且強(qiáng)度最大，近地面平均風(fēng)速最大、入口平均壓強(qiáng)最小且壓差也最大. 根據(jù)式(1)可知，當(dāng)θ從0°到45°遞增時，該吸塵裝置內(nèi)龍卷風(fēng)的渦流比也單調(diào)遞增，結(jié)合θ對流場的影響效果，說明在本裝置研究的傾斜角范圍內(nèi)對應(yīng)的渦流比，隨渦流比增加，吸塵裝置內(nèi)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變大，有利于吸塵效率的提高.

圖11 導(dǎo)流孔傾斜角度對近地面平均風(fēng)速的影響曲線

Fig.11 Effect curve of inclination angle of diversion orifice on the near-ground mean velocity

圖12 導(dǎo)流孔傾斜角度的影響曲線

Fig.12 Effect curve of inclination angle of diversion orifice

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)導(dǎo)流孔傾角θ靠近0°時，此時的導(dǎo)流孔吹進(jìn)的氣流的切向速度較小，不利于龍卷風(fēng)的形成；當(dāng)導(dǎo)流孔傾角θ從0°逐漸增大到45°或減小到-45°時，此時的導(dǎo)流孔吹進(jìn)的氣流為形成龍卷風(fēng)提供了逐漸增大的切向速度，有利于形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且強(qiáng)度大的龍卷風(fēng).

3.3 擴(kuò)展域參數(shù)對流場的影響

3.3.1 擴(kuò)展域高度

圖13是根據(jù)仿真結(jié)果得到的近地面計(jì)算域無量綱高度H2/D1=0.2時擴(kuò)展域高度H1對近地面平均風(fēng)速的影響曲線. 由于近地面計(jì)算域無量綱高度H2/D1=0.2，所以為了能把吸嘴進(jìn)風(fēng)口和地面之間的這段的氣體流動情況包含進(jìn)去，從擴(kuò)展域高度H1與圓筒直徑D1的比值為0.2即擴(kuò)展域高度H1=100 mm時開始取值. 由圖13可以看出隨著擴(kuò)展域高度的增大吸嘴進(jìn)風(fēng)口覆蓋區(qū)域的近地面平均風(fēng)速先減小，在擴(kuò)展域高度與吸嘴直徑的比值為0.25即擴(kuò)展域高度為125 mm時保持穩(wěn)定.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：開始時擴(kuò)展域高度不足造成與大氣的連通度不夠，使得近地面處的氣流受大氣的影響相比實(shí)際情況較小，所以近地面的速度大；當(dāng)擴(kuò)展域的高度增大到適當(dāng)?shù)母叨鹊臅r候，此時的擴(kuò)展域高度達(dá)到了實(shí)際情況的連通度，再增大高度對近地面速度的影響變得十分小，所以近地面的速度基本達(dá)到了穩(wěn)定.

圖13 擴(kuò)展域高度的影響曲線

3.3.2 擴(kuò)展域直徑

本文在原有的裝置的基礎(chǔ)上其進(jìn)行等比例縮放，并且在仿真時不改變進(jìn)出口的條件，這樣來確保不同大小的裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)都具有相同的渦流比. 本組仿真實(shí)驗(yàn)采用的D1=500 mm時的渦流比為0.625. 圖14是根據(jù)仿真結(jié)果得到的吸嘴直徑D1取值不同時的擴(kuò)展域直徑D2對吸嘴進(jìn)氣口覆蓋區(qū)域的近地面平均風(fēng)速的影響曲線，仿真時取擴(kuò)展域的無量綱高度為0.3. 圖15為吸嘴直徑D1對擴(kuò)展域直徑閾值D2/D1的影響曲線.

圖14 擴(kuò)展域直徑的影響曲線

由圖14可以看出，吸嘴直徑在不同水平下，均在增大擴(kuò)展域直徑的開始階段近地面平均風(fēng)速的數(shù)值有一段無規(guī)則的波動，當(dāng)擴(kuò)展域直徑與圓筒直徑的比值達(dá)到一定數(shù)值時，此時的近地面平均風(fēng)速達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，也就是再增大擴(kuò)展域的直徑對人造龍卷風(fēng)的生成以及清掃效果的評估幾乎沒有影響. 由圖15可知，擴(kuò)展域的閾值隨著吸嘴直徑的增大而減小，即本裝置所需擴(kuò)展域的直徑與吸嘴直徑的比值隨著吸嘴直徑的增大而減小.

圖15 擴(kuò)展域直徑閾值的影響曲線

Fig.15 Effect curve of diameter threshold in extended domain

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)擴(kuò)展域直徑較小時，擴(kuò)展域的尺寸小引起仿真失真，裝置與大氣的聯(lián)通情況相比實(shí)際情況差距很大，這造成了近地面速度劇烈變動，而隨著擴(kuò)展域的直徑的逐漸增大，擴(kuò)展域所包裹的區(qū)域與裝置實(shí)際情況下所擾動的大氣的區(qū)域逐漸接近，所以在擴(kuò)展域直徑增大到5倍圓筒直徑的時候近地面的風(fēng)速穩(wěn)定下來.

4 結(jié) 論

1)根據(jù)龍卷風(fēng)發(fā)生原理設(shè)計(jì)了新型吸塵裝置，并基于計(jì)算流體動力學(xué)方法研究了排塵口高度、吸嘴直徑、吸嘴進(jìn)風(fēng)口距地面高度、導(dǎo)流孔傾斜角度、渦流比和擴(kuò)展域參數(shù).

2)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，排塵口高度與吸嘴直徑的比值為1.6時，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)上部完全發(fā)展且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

3)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，吸嘴進(jìn)風(fēng)口距地面高度與吸嘴直徑的比值為0.25時，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)具有明顯的單渦結(jié)構(gòu)，吸嘴覆蓋區(qū)域的近地面風(fēng)速最大，吸塵效果最好.

4)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，導(dǎo)流孔傾斜角度θ=45°或θ=-45°時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)最穩(wěn)定且強(qiáng)度最大，此時裝置產(chǎn)生的龍卷風(fēng)的渦流比為0.625. 當(dāng)僅通過改變導(dǎo)流孔傾斜角度θ使渦流比改變的情況下，隨著一定范圍內(nèi)的渦流比的增加，吸塵裝置內(nèi)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變大，有利于吸塵效率的提高.

5)在本裝置其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下，擴(kuò)展域的高度和直徑均存在閾值. 當(dāng)擴(kuò)展域高度與吸嘴直徑的比值為0.2時擴(kuò)展域高度達(dá)到閾值，擴(kuò)展域直徑的閾值隨著吸嘴直徑的增大而減小，即本裝置所需擴(kuò)展域的直徑與吸嘴直徑的比值隨著吸嘴直徑的增大而減小. 當(dāng)擴(kuò)展域參數(shù)大于相應(yīng)閾值時，其影響可以忽略不計(jì).