小型純電動掃路機流場性能分析

黃秋芳

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 福建龍巖 364028

為了彌補國內(nèi)市場上因掃路車普遍體積大而無法在狹小區(qū)域作業(yè)的不足，小型掃路機應運而生。掃路機因為體積小，機動靈活，清掃能力強，可快速清掃落葉、石子、沙塵、白色垃圾等優(yōu)勢，在城市輔道、狹窄道路、公園等區(qū)域有著充分的優(yōu)越性和適應性。因此，掃路機具有良好的發(fā)展空間和市場前景。因此，針對掃路機氣力輸送系統(tǒng)的研究和探索，既有重要的科研價值，又有一定的社會效應和經(jīng)濟效益[1]。

目前，用數(shù)值模擬方法研究氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部流場已成為改進和優(yōu)化掃路機設計的一種重要手段。本文擬對掃路機氣力輸送系統(tǒng)典型工況下的內(nèi)部氣體流動進行數(shù)值計算與分析，獲得氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)的速度場、壓力場，并分析吸嘴、垃圾箱等結(jié)構(gòu)對流速分布、壓力分布以及吸塵性能的影響，以提出氣力輸送系統(tǒng)吸嘴、垃圾箱等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

1 有限元建模

利用有限元分析軟件建立小型掃路機的有限元模型如圖1所示。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，掃路機的基本網(wǎng)格大小選取15 mm；對于吸塵盤、風管及垃圾箱氣流存在分離處網(wǎng)格適當加密，網(wǎng)格尺寸為10 mm；局部細節(jié)特征如風機、導流板廓線和通氣孔尺寸為8 mm；進出口以及壁面網(wǎng)格尺寸為200 mm，有限元模型的總網(wǎng)格數(shù)約為1 922萬。

圖1 有限元模型

2 求解

2.1 邊界條件

將生成的有限元模型導入到計算流體力學軟件中進行邊界條件設置，由于進風口與出風口處的壓力、流量、速度均未知，氣流運動情況比較復雜，因此在吸塵盤進風口四周建立氣流擴展區(qū)。為了避開設定出入口條件的困難，將氣流擴展區(qū)的出入口相對靜壓力設定為零（初始流場外界壓力設置為1個大氣壓）。該小型掃路機選型風機全壓為3.8 kPa，工況取風機壓升為3.5 kPa，具體參數(shù)設置如表1所示。

表1 邊界條件及設置

2.2 計算模型

本次計算采用雷諾時均湍流模型，源項和擴散項計算采用二階中心差分格式，壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)求解，使用SIMPLEC算法進行數(shù)值求解。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 掃路機吸塵能力分析

掃路機吸塵能力主要決定于吸嘴處與地面間隙四周的風速分布情況，故對間隙處風速進行分析，如圖2所示。

圖2 吸嘴進風截面處風速示意圖

從圖2可知，當風機壓升到3.5 kPa時，靠近管口位置最高風速可達37.21 m/s；吸嘴四周風速大部分在28.94 m/s。顆粒拾取能力為評價掃路機吸塵能力最重要的指標，該小型掃路機設計要求需能拾取直徑為15 mm，密度為2 000 kg/m3的顆粒。基于塵粒起動理論[2,3,4]可知，直徑10 ～15 mm的顆粒懸浮速度為22.24～27.24 m/s，從圖3所示吸嘴四周風速情況可知：在3.5 kPa時，吸嘴前端的風速為24.81～28.94 m/s；吸嘴兩側(cè)中間風速為20.67～24.81 m/s；靠近管口位置最高可達37.21 m/s；吸嘴四周大部分風速為28.94 m/s。因此，在3.5 KPa時，可以穩(wěn)定吸拾粒徑為15 mm，密度為2 000 kg/m3的球形顆粒；最大可吸拾粒徑為28 mm，密度為2 000 kg/m3以下的球形顆粒，該項參數(shù)通過分析符合設計要求。

圖3 吸嘴壓強云圖

3.2 掃路機氣力輸送系統(tǒng)分析

3.2.1 壓強云圖分析

氣力輸送系統(tǒng)前后壓強差形成的壓差阻力阻礙氣體流動，影響塵埃顆粒的輸送。通過壓強云圖觀察各部件截面表面，由此得知氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布，對結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化指明方向。

風管的云圖分析如圖4所示。因受吸嘴上方負壓區(qū)影響，與吸嘴連接處形成兩個突變較大的負壓區(qū)，故存在著速度的突變，同樣造成能量的損耗，并降低吸塵效率。因風管變徑難度較大，可在風管與吸嘴連接處將吸嘴部分做成倒喇叭口狀，使速度突變變得平緩，以降低能量損耗。

圖4 風管壓強云圖

垃圾箱的云圖分析如圖5所示。靠近風機區(qū)域存在著突變的負壓區(qū)，形成劇烈漩渦，有利于消耗塵粒動能，在垃圾箱內(nèi)沉降。

圖5 垃圾箱壓強云圖

垃圾箱蓋的云圖分析如圖6所示。由于氣流在風機出風后撞擊到引風罩，導致壓強發(fā)生突變，阻礙氣體排出箱蓋外；同時，引風罩與箱蓋側(cè)板存在狹小空間，在此區(qū)域會形成較大的負壓區(qū)，不利于氣體排出垃圾箱。可適當增大引風罩與箱蓋側(cè)板間距，降低垃圾箱排風阻力。

圖6 垃圾箱蓋壓強云圖

3.2.2 速度流線圖分析

通過速度流線圖觀察氣流在掃路機的流動與分布情況，比較理想的氣流流動特點是氣流緊貼截面平滑流動而不產(chǎn)生分離。

由塵粒啟動理論可查到對應顆粒直徑下的懸浮速度，若要吸拾起顆粒，氣流速度應是其懸浮速度的1.5～2倍。圖7為吸嘴截面速度流線圖。

圖7 吸嘴速度流線圖

由圖7可知，氣體在吸盤中間形成渦流，靠近邊緣的區(qū)域速度劇烈變化，造成塵粒運動的絮亂，帶來能量的損耗和浪費，這是由于吸盤進風口狹小所致的速度聚變，但在風管下方區(qū)域，氣流速度基本能達到設計要求。

圖8為風管速度流線圖。由于存在手工吸塵裝置的風管，且手工吸塵裝置風管直接與主風管相連，氣流在連接處產(chǎn)生能量損耗，導致主風管上層出現(xiàn)速度下降的現(xiàn)象。可考慮將手工吸塵裝置設計成快插形式，需要使用時便可快捷接

圖8 風管速度流線圖

圖9為垃圾箱速度流線圖。從圖中可以看到，垃圾箱內(nèi)存在多處渦流，不利于塵粒的沉降，存在著塵粒重新被揚起的可能。

圖9 垃圾箱速度流線圖

圖10為垃圾箱蓋速度流線圖。由圖可知，風機后面存在著不少的氣流，并形成死區(qū)，無法排出箱蓋外。可在結(jié)構(gòu)上將該區(qū)域連接至排風口或直接隔斷該區(qū)域，提高風機效率。

圖10 為垃圾箱蓋速度流線圖

4 結(jié)語

通過對小型掃路機進行流場分析，將各個截面的流場數(shù)據(jù)計算量化，指出氣力輸送系統(tǒng)設計中吸嘴、風管、垃圾箱等結(jié)構(gòu)的不合理處，為掃路機氣力輸送系統(tǒng)的后續(xù)設計及改進提供了堅實的理論基礎和研發(fā)方向。該掃路機氣力輸送系統(tǒng)和重力沉降系統(tǒng)具有更小的負壓差、能量損耗、較大的進風口貼地風速和達標的風機出口氣體排放。