水射流除線的真空回收系統(tǒng)仿真與試驗分析

楊昆, 劉力紅, 杜鵬

(安徽理工大學機械工程學院，淮南 232001)

高壓水射流道路交通標志線清除系統(tǒng)是目前世界上應用十分廣泛的一種道路標線清除系統(tǒng)，具有清除道路標線效果好、效率高、成本低等優(yōu)點。中外學者對此系統(tǒng)做了相關(guān)研究。文獻[1]設計了一款適合韓國道路狀況的高壓水射流道路標線清除車，該系統(tǒng)包含高壓水射流系統(tǒng)、真空抽吸系統(tǒng)、路況監(jiān)測系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)。文獻[2]通過計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)仿真研究了噴嘴收縮角、入口直徑、出口半徑長度等參數(shù)對噴嘴內(nèi)流場的影響。文獻[3]對超高壓水射流系統(tǒng)清除交通標志線進行了研究，設計了清除交通標線的執(zhí)行機構(gòu)，考慮了真空回收系統(tǒng)，并通過試驗研究了射流壓力、射流盤轉(zhuǎn)速對清洗質(zhì)量的影響。文獻[4]對水射流清除道路交通標線的影響因素進行了試驗研究。文獻[5]通過試驗研究了前混合磨料射流的相關(guān)參數(shù)對標線清除率的影響。文獻[6]通過仿真分析研究了幾個主要影響因素對標線清除率的影響。文獻[7]對高壓水射流道路標線清除系統(tǒng)中的增壓系統(tǒng)進行了獨立研究，并對增壓器進行了結(jié)構(gòu)設計。以上學者對高壓水射流道路標線清除系統(tǒng)進行了非常全面的研究，但是基本上都忽視了對該整體中另外一個十分重要的系統(tǒng)——真空回收系統(tǒng)的研究。真空回收系統(tǒng)在高壓水射流道路標線清除系統(tǒng)中具有重要作用，它利用真空負壓的作用將清除標線過程中產(chǎn)生的廢水殘渣進行回收，保護了道路環(huán)境，降低了對道路正常交通的影響，同時節(jié)約了人力成本。因此，現(xiàn)以真空回收腔為研究對象，通過仿真和試驗研究不同參數(shù)條件下真空系統(tǒng)的回收效果，以期得出有利于提高回收效果的參數(shù)組合。

1 真空回收腔的設計與流場分析

1.1 真空回收腔設計

為達到標線“即除即凈”的效果，將回收腔設計為雙層中空的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其工作原理是：高壓水射流通過中間的入口接入回收腔內(nèi)部，回收腔內(nèi)部是水射流清除標線時噴嘴的工作區(qū)域，內(nèi)壁與外壁之間則是負壓工作區(qū)域，此區(qū)域通過軟管連接真空回收箱與真空泵。道路標線在高壓水射流的作用下從路面剝離，標線殘渣和水的混合物在真空泵抽吸作用下通過負壓區(qū)域進入真空箱暫時儲存。因大部分道路標線的寬度處于150～200 mm，同時真空回收腔的大小將會影響回收時的效率，故將噴嘴工作區(qū)域的直徑設計為260 mm，高度確定為150 mm，既保證射流的清洗面積可以覆蓋標線，又避免射流沖擊到內(nèi)壁表面，損壞設備。

圖1 真空回收腔

1.2 真空回收腔仿真建模

對真空回收腔在工作狀態(tài)下內(nèi)部水流的運動狀態(tài)進行模擬仿真。圖2為真空回收腔的幾何模型，中間的孔口為高壓水進入口，邊緣的孔口是真空回收口，即該模型的水流出口。使用六面體網(wǎng)格對該模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為166 149個，節(jié)點數(shù)量為189 821個。圖3為該模型的網(wǎng)格劃分情況。

圖2 真空回收腔模型

圖3 網(wǎng)格劃分情況

1.3 真空回收腔流場仿真

1.3.1 真空回收腔仿真邊界條件設置

邊界條件的設置應該符合實際應用情況，選擇壓力入口與壓力出口邊界條件進行設置[8-12]。根據(jù)相關(guān)文獻，當純水射流的壓力參數(shù)達到80～110 MPa時，水射流對道路表面廢舊標線的清除率可以達到預期，在其他條件不變的情況下，壓力越高，清除效果越好，但壓力過大可能導致路面基體破壞，因此將水射流壓力設置為100 MPa。真空回收腔的回收口(模型中的水流出口)參數(shù)設置為多個壓力參數(shù)，分別為-0.015、-0.025、-0.035、-0.045 MPa。

1.3.2 真空回收腔出口流體速度分布

圖4為在不同的真空回收壓力下真空回收腔水流出口處的流體速度分布圖，分別給出了真空泵抽吸壓力為-0.015、-0.025、-0.035、-0.045 MPa時回收腔水流出口處的流體速度分布。結(jié)果表明，隨著真空泵抽吸壓力的增大，出口中水流的最大速度有所增加，從126.197 m/s增加到129.893 m/s；水流最小流速也在增大，從18.028 m/s增加到18.556 m/s。水流流速增加，單位時間流過出口的流量也增大，表明回收系統(tǒng)的回收能力有所提高。

圖4 水流出口速度分布圖

1.3.3 真空回收腔內(nèi)部流線分布

圖5為在不同的真空回收壓力下真空回收腔內(nèi)部水流的流線分布圖，分別給出了真空泵抽吸壓力為-0.015、-0.025、-0.035、-0.045 MPa時回收腔內(nèi)部水流的流線分布圖。

圖5 回收腔內(nèi)部流線分布圖

仿真結(jié)果表明：當抽吸壓力為-0.015 MPa時，高壓水射流打擊到路面標線表面后會發(fā)生較大的濺射與擴散，在真空回收腔內(nèi)部的射流工作區(qū)域形成大片的渦流，只有很小一部分水流被負壓抽吸到水流出口，回收能力嚴重不足，且渦流在射流工作區(qū)域積聚，會在地面形成一層水膜，影響高壓水射流對路面標線的清除效果。

當抽吸壓力為-0.025 MPa時，水射流打擊到路面標線表面后發(fā)生的擴散減小，在真空回收腔內(nèi)部射流工作區(qū)域存在的渦流減少，有較多的水流從周圍的回收腔流向水流出口，回收能力明顯增強。

當抽吸壓力為-0.035 MPa時，水射流打擊到路面標線表面后發(fā)生的擴散進一步減小，在真空回收腔內(nèi)部射流工作區(qū)域存在渦流的區(qū)域也在減小，系統(tǒng)的回收能力進一步增強。

當抽吸壓力為-0.045 MPa時，水射流打擊到路面標線表面后大部分水流都會被負壓抽吸進入水流出口，發(fā)生的擴散已經(jīng)很小，系統(tǒng)回收能力在四種壓力下最強，渦流只在靠近回收腔回收口的內(nèi)部區(qū)域產(chǎn)生，這是因為負壓抽吸作用使水流在該位置發(fā)生積聚，高壓射流打擊到路面標線表面后發(fā)生反濺形成具有一定速度的反濺射流，反濺射流會擾動在該區(qū)域積聚的水流，使之形成渦流。

從整體來觀察，隨著真空泵抽吸壓力的增大，流向水流出口的流線分布區(qū)域在逐漸減小，最終都聚集到真空回收腔回收口附近，這是因為回收腔只設計了一個回收口，回收腔內(nèi)部的壓力分布不均勻所致。仿真結(jié)果表明，隨著真空泵抽吸壓力的增大，回收腔內(nèi)部水流的流線分布越緊密，流線也越順滑，系統(tǒng)回收能力也越強。

2 真空回收試驗研究

2.1 試驗設計

2.1.1 試驗影響因素與參數(shù)水平設計

在設計研究真空回收系統(tǒng)回收率試驗時，只考慮了真空泵抽吸壓力、吸口離地間隙以及射流系統(tǒng)的工作壓力這三個因素對回收率的影響。為了達到較為系統(tǒng)的試驗結(jié)果，為每一個因素選擇4個參數(shù)水平使用正交法進行試驗設計[13-14]。水射流系統(tǒng)的工作壓力原為80～100 MPa，由于設備限制，本試驗中水射流參數(shù)設置較小，為3～6 MPa，這樣設置參數(shù)有以下原因：第一是本試驗所用高壓泵站額定工作壓力較低，達不到80 MPa；第二是因為本試驗僅研究真空回收系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對真空系統(tǒng)回收率的影響，不研究相關(guān)參數(shù)對標線清除效果的影響；第三由于系統(tǒng)限制，試驗在室內(nèi)進行，而且本試驗諸多環(huán)節(jié)需要手工操作，當射流壓力超過10 MPa之后射流沖擊力較大且存在安全隱患。表1為在考慮諸多因素后確認的試驗參數(shù)設置。

2.1.2 正交試驗設計

根據(jù)表1設置的試驗因素與參數(shù)水平，本試驗為3因素4水平正交試驗，可以選擇四水平正交表L16(45)進行試驗設計。根據(jù)選定的試驗影響因素、因素參數(shù)水平和正交試驗表，擬定的正交試驗方案如表2所示。

表1 試驗參數(shù)設置

表2 正交試驗方案

2.2 試驗評價指標

在本試驗中，以真空回收系統(tǒng)的回收率來表征系統(tǒng)的回收能力，回收率越大，表示系統(tǒng)工作能力越強，參數(shù)水平越優(yōu)。以流體的質(zhì)量流量來計算真空回收系統(tǒng)的回收率，即回收的水和標線材料的混合物的質(zhì)量與通過理論計算得到的水和標線材料的總質(zhì)量的比值。在計算真空回收系統(tǒng)回收率之前，需要確定幾個試驗參數(shù)：使用的是直徑為1 mm的圓柱收縮型噴嘴，射流持續(xù)時間為30 s，每一次添加的道路標線材料的質(zhì)量均為50 g。據(jù)此可以計算出高壓水射流系統(tǒng)的理論流量為

(1)

式(1)中：qt為射流流量，L/min；d為噴嘴出口直徑，mm；p為高壓水射流系統(tǒng)的射流壓力，MPa。

根據(jù)理論流量，可以計算出一段時間內(nèi)高壓水射流系統(tǒng)的理論質(zhì)量流量為

m1=ρqtt

(2)

式(2)中：m1為高壓水射流系統(tǒng)理論質(zhì)量流量，kg；ρ為水的密度，取ρ=1 000 kg/m3；t為水射流持續(xù)時間，t=0.5 min。

因此，真空回收系統(tǒng)的回收率可表示為

(3)

式(3)中：η為真空回收系統(tǒng)的回收率，%；m2為試驗添加的道路標線材料的質(zhì)量，每次均為0.05 kg；m為真空回收系統(tǒng)回收的混合物的質(zhì)量，kg。

通過式(1)～式(3)，便可以對試驗測量得到的數(shù)據(jù)進行計算分析得到每一組試驗后真空回收系統(tǒng)的回收率。

2.3 正交試驗極差分析

根據(jù)表2的正交試驗方案進行試驗，通過極差分析法對試驗結(jié)果進行分析，將試驗結(jié)果和采用極差法處理數(shù)據(jù)得到的結(jié)果一并列入表3。為了便于描述，表3中試驗影響因素真空泵抽吸壓力、吸口離地間隙以及系統(tǒng)射流壓力分別用A、B、C表示，用下標(1)、(2)、(3)、(4)表示該試驗參數(shù)分別對應正交試驗設計中的參數(shù)水平1、水平2、水平3和水平4。

表3 正交試驗極差分析表

Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj、Ⅳj為與各因素相關(guān)的回收率之和，Ⅰ為參數(shù)水平1，Ⅱ為參數(shù)水平2，以此類推，j為列數(shù)，即影響因素；Rj為該列對應的Ⅰj、Ⅱj等的最大值與最小值之差，即極差。

2.4 試驗結(jié)果

根據(jù)表3正交試驗極差分析的結(jié)果，可以作出如下分析。

2.4.1 各試驗因素對試驗結(jié)果的影響程度

在試驗的三個影響因素中，因素A的極差最大，為89.87，因素C的極差大小排第二，為48.88，因素B的極差最小，為47.30。說明本試驗中真空泵抽吸壓力對真空系統(tǒng)回收率的影響最明顯，在高壓水射流清除道路標線的實際工況中如果出現(xiàn)廢水殘渣回收效果不理想的情況，首先要改變的就是真空泵的抽吸壓力。

2.4.2 較優(yōu)參數(shù)水平的確定

在本試驗中，以真空回收系統(tǒng)的回收率作為衡量系統(tǒng)工作能力的指標，回收率越大，表示系統(tǒng)工作能力越強。對比Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj和Ⅳj的數(shù)值大小，最大值分別為Ⅳ1、Ⅰ2和Ⅰ3，因此因素A取4水平，因素B取1水平，因素C取1水平。在此試驗中的較優(yōu)方案為A4、B1、C1。

2.4.3 指標隨各因素的變化情況

為了便于比較，將三個影響因素(真空泵抽吸壓力、吸口離地間隙、系統(tǒng)射流壓力)的水平作為橫坐標，某一參數(shù)水平下真空系統(tǒng)的回收率之和作為縱坐標，繪制回收率隨因素各水平的變化情況圖，如圖6所示。

由圖6可知，對于因素A，隨著抽吸壓力增大，回收率呈上升趨勢，即抽吸壓力越大參數(shù)水平越優(yōu)。對于因素B，隨著吸口離地間隙的增大，真空系統(tǒng)的回收率呈下降趨勢，因此吸口離地間隙越小，水平越優(yōu)。但在清除道路標線的實際工況中，真空回收腔與地面之間必須存在一定的距離，以防止回收腔與地面發(fā)生摩擦，這就需要根據(jù)實際工況來確定一個最小值。為給真空回收腔提供一個類密封的工作環(huán)境，這個距離可以安裝多層高密度的毛刷，同時毛刷也可以將標線附近路面的樹葉等垃圾清理掉。

A、B、C為試驗因素；1、2、3、4為該因素對應的參數(shù)水平

對于因素C，回收率隨著射流壓力的升高呈現(xiàn)降低趨勢，射流壓力越低，參數(shù)水平越優(yōu)。但是，系統(tǒng)射流壓力不僅影響真空系統(tǒng)的回收率，同樣也是影響高壓水射流對道路標線清除率的重要參數(shù)，射流壓力越低，對于道路標線的清除率越低，因此在實際工況中，系統(tǒng)射流壓力的選擇需要在保證射流對道路標線的清除率的前提下盡量選擇數(shù)值較小的射流壓力，這樣既能保證道路標線的清除效果，又能達到真空回收系統(tǒng)較高的回收率，還可以降低高壓水射流系統(tǒng)的功耗、延長系統(tǒng)的使用壽命。

3 結(jié)論

針對高壓水射流道路交通標志線清除設備中真空回收腔的仿真研究與真空回收系統(tǒng)的試驗研究，得到如下結(jié)論。

(1)仿真結(jié)果表明隨著真空泵抽吸壓力的增大，回收腔內(nèi)部水流的流線分布越緊密、流線形狀越順滑，系統(tǒng)回收能力越強。

(2)試驗結(jié)果表明三個影響因素對真空系統(tǒng)回收率的影響大小順序為：真空泵抽吸壓力>系統(tǒng)射流壓力>吸口離地間隙。真空泵抽吸壓力為-0.045 MPa、吸口離地間隙為5 mm、系統(tǒng)射流壓力為3 MPa時真空系統(tǒng)回收率較大。

本試驗平臺是基于實際真空抽吸系統(tǒng)搭建的相似試驗系統(tǒng)，試驗中系統(tǒng)射流壓力較小，與實際工況相比相差較多，但是試驗所得的參數(shù)變化趨勢在實際工況中具有參考價值。