清扫车吸嘴流场仿真分析及优化设计.pdf

2023.04 建设机械技术与管理 75试验研究清扫车吸嘴流场仿真分析及优化设计Simulation Analysis and Optimization Design of the Flow Field for the Suction Nozzle of Sweeper鲁耀中 张斌 陈阵（长沙中联重科环境产业有限公司，湖南 长沙 410013）摘要：针对某型清扫车吸拾性能不足及噪声偏大的问题，以该车核心部件吸嘴为研究对象，采用流体力学 CFD 方法对该吸嘴进行了流场分析，并利用离散相对该吸嘴内颗粒运动进行了模拟。传统吸嘴的仿真结果表明，吸嘴与管道的过渡部位存在气流分离漩涡，漩涡的存在导致气流运动阻力大，湍流气动噪声高。针对该问题，对吸嘴增加导流结构后的性能进行了分析。仿真结果表明，吸嘴的吸拾能力提升 14%，气动噪声降低 3 分贝，能耗降低 29%，吸嘴性能大幅提升。关键词：洗扫车；吸嘴；流场；吸尘效率；能耗中图分类号：TH123 文献标识码:A1 引 言随着中国经济的快速发展，各地环卫部门对城市环境卫生质量要求不断提高，以及人力成本的不断攀升，道路洗扫车成为了城市路面清洁的重要工具1。洗扫车利用风机产生的负压，将地面垃圾吸进箱体，其气路系统的性能决定了整车作业性能的高低。气路系统主要由吸嘴、管路系统、离心风机等部件组成，为了增强吸拾性能，通常做法为增加风机的转速或选用大功率风机，带来的负面作用为能耗和噪声的增加2。吸嘴作为洗扫车气力系统中的关键部件，其流场性能的改善能使得在不增加能耗和噪声的前提下提升吸尘性能，具有重要的工程应用价值。上海交通大学的朱伏龙3分析了吸嘴吸管面积 S、吸嘴长度 L、宽度 B、收缩角、倾斜角 等结构参数对吸嘴吸拾性能的影响规律；中南大学的云现杰4以双吸管吸嘴为研究对象，通过 CFD 仿真，分析了吸嘴内部速度场、压力场的分布，并对吸嘴内腔结构进行了优化，并运用气固两相流动模型对该结构的吸拾性能进行了验证；覃先云等人为提升吸嘴的吸尘性能，设计了一种 Y 型吸嘴，该吸嘴后部有补气流道，采用 CFD 数值模拟技术对该吸嘴进行了气固两相流数值模拟分析，结果表明该吸嘴两侧和吸管后部的气流分布得到了改善，吸嘴的吸尘效率得到了大幅提高，尘粒在吸嘴内的平均停留时间大幅降低。虽然国内外大量研究人员对吸嘴的内腔结构进行了优化59，但针对吸嘴与管道过渡部分的结构设计鲜有研究，对该处气流湍流噪声未进行优化设计。本文以国内某洗扫车吸嘴为研究对象，重点对吸嘴与管道之间的过渡方式进行了研究，采用气固两相流方法计算了改进后吸嘴的吸尘效率，对吸嘴湍流噪声进行了优化，实现了吸嘴的提效降噪。2 仿真分析模型2.1 流场方程吸嘴空腔内运动气流速度小于 0.3 倍声速，可作为不可压气体处理，遵循的基本物理规律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。在此研究中热量交换可以忽略不计，动量方程采用时均形式的 Navier-Stokes 方程进行求解。为了更好地模拟吸嘴空腔内气流的湍流脉动，湍流模型采用Realizable k-模型10。1）连续性方程()()()0uvwxyz+=2）动量守恒方程（N-S 方程）()()ijijiiiijuuupgFtxxx+=+23jjiijijjiiuuuuuxxx=+基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（20C0361）76建设机械技术与管理 2023.04 试验研究湍动能 k 方程()()()itkijkjkukkGtxxx+=+湍动能耗散率 方程 122()()()itijkjuC EtxxxCkv+=+式中：t为湍流黏度；v 为运动黏度；E 为时均应变率；k=1.0；C2=1.9；Gk为平均速度梯度引起的湍流动能 k 的产生项。jiiktjijuuuGxxx=+2.2 尘粒运动模型2.2.1 尘粒密度模型尘粒在堆积状态时不是密实的，尘粒与尘粒之间会存在缝隙，在堆积状态下单位体积的质量称为尘粒的堆积密度。尘粒去除所含水分后单位体积的质量称为尘粒的真实密度。堆积密度与真实密度之间存在如下关系11。V=(1 )real 式中：V尘粒堆积密度，kg/m3；尘粒孔隙率；real 尘粒真实密度，kg/m3。2.2.2 尘粒球形度实际路面尘粒往往不是球形的，在流场特性的研究中，尘粒粒径转化成当量直径进行计算，用球形度来描述非球形尘粒接近球形的程度，其定义为12：01AA=式中：尘粒球形度；A0实际表面积，m2；A1当量球体表面积，m2；泛的公式为 Rosin-Rammler 粒径分布函数：()exp(/)nR dd d=式中，R(d)直径大于 d 的粒子质量与粒子群总重的比值；d 为颗粒直径；d 为颗粒平均直径；R(d)为粒径大于 d的粒子质量比例，n 表示分布均匀性特征参数，n 越大说明粒径分布范围越宽。综上所述，在仿真模拟中尘粒密度设为 2600kg/m3，尘粒球形度 取 0.7，尘粒平均直径 为 1.686mm，分布特征参数 d为 2.82。3 仿真求解及分析吸嘴入口为压力入口边界条件，相对大气压力为 0pa，吸嘴管道出口设为压力出口边界，其大小通过实验获得，其余边界条件为壁面。湍流模型为 realizable 湍流模型，采用有限体积法对方程进行离散，选择二阶迎风差分格式，压力速度耦合关系采用 SIMPLEC 求解算法7。3.1 吸嘴内流场分析传统吸嘴与管道入口过渡部分未进行特需设计，通常采用直接焊接，如图 1 所示。该传统吸嘴的气流从吸嘴内腔汇入管道时，气流速度急剧增加，在此处形成较大的流通阻力。该传统吸嘴的管道内速度分布非常不均匀，高速流动区集中在管道中间，管道周边均为低速漩涡分离区，较低的气流速度会大幅降低对颗粒的作用力，因此在漩涡区颗粒会存在来回流动，影响吸嘴的吸拾性能。速度的不均匀还会形成压力脉动，较大的压力脉动会形成较强的气动噪声。尘粒球形度 煤粉0.696立方体0.806碎块0.63砂粒0.534 0.628表 1 常见尘粒的球形度2.2.3 尘粒粒径分布实际路面颗粒的大小分布不均，通过实验测试了路面常见颗粒粒径的分布。国内外用来描述颗粒粒径分布最为广图 1 传统吸嘴结构模型图 2 传统吸嘴管道入口速度流场云图2023.04 建设机械技术与管理 77试验研究轻飘物可以顺着气流在卷吸流对冲线前方直接进入吸管，而重颗粒会由于车向前运动、前橡胶板下方气流速度向后这两个原因叠加，重颗粒先在对冲线前方加速、在对冲线后方减速，再反向运动，直至被吸起。从图 3 可见，传统吸嘴的气流对冲线明显偏后，不利于吸尘。针对传统吸嘴的问题点，对该处进行了优化设计，采用了导流结构，如图 4 所示。该结构简单，加工成本低，便于工程应用。优化后的管道入口速度流场如图 5 所示，通过对比分析可知，管道内速度分布得到了大幅度改善，气流速度分布均匀，管道周围的低速分离区消失，管道内无漩涡存在。由于气流速度分布均匀，有效流通面积扩大，流通阻力会大幅下降，可以降低吸嘴能耗。新吸嘴采用导流环设计，使得管道内流速增加，吸嘴内卷吸流对冲线前移，如图 6 所示，这样的设计使得颗粒在吸嘴内停留时间延长，增加了被卷吸上去的可能性。3.2 湍动能分析由于气流相互之间强烈的摩擦作用，此处形成强烈的湍流噪声，能耗增加。从图 7 可知，管道分离区湍动能较强，为噪声的主要产生区域。优化后吸嘴管道入口湍动能如图 8所示，管道周围湍动能大幅降低，湍动能的降低使得脉动压力大幅降低，噪声可以得到有效控制。3.3 颗粒捕捉率分析对优化前后的吸嘴进行了颗粒离散相分析，统计仿真计算收敛后进入管道和从管道逃逸出的颗粒质量，对颗粒捕图 3 传统吸嘴管道入口速度矢量图图 4 优化吸嘴结构模型图 5 优化吸嘴管道入口速度流场云图图 6 优化吸嘴管道入口速度矢量图图 8 优化吸嘴管道入口湍动能云图图 7 传统吸嘴管道入口湍动能云图捉率进行了计算，计算公式如下：21=100%QQ 其中，Q1和 Q2分别为颗粒释放平面和管道出口面颗粒的质量流量。指标原模型 优化模型压损 pa16361180最大湍动能 m/s73.326.4颗粒捕捉率%7180表 2 优化前后性能参数原吸嘴的捕捉率为 71%，在相同的仿真计算条件下，优化后的吸嘴捕捉率为 80%，可见管道入口增加导流环可使得气流运动流畅，增强吸拾性能。4 实验验证为了验证上述仿真的正确性，按照扫路车行业标准文件中提供的试验方法对改进前和改进后的吸嘴进行了对比试验，测试新吸嘴的最大扫净能力和最大洗净能力、作业噪声、能耗、吸嘴风速等性能参数，对比分析两种吸嘴的作业性能。试验方法如下：（1）吸嘴吸拾能力测试：在平整路面均匀铺 3.5m10m 的沙子，沙子质量以100g 递增，车速 3km/h，测试吸嘴的最大吸拾重量；在平整78建设机械技术与管理 2023.04 试验研究路面均匀铺.5m10m的沙子，沙子质量400g/m，车速递增，测试吸嘴的最大行驶速度。（2）噪声测试：车速 6km/h，测试干扫、洗扫工况，保洁、标准、强力三种模式，车辆左、右侧 7.5m 处噪声。（3）能耗测试：车静止，全洗扫，保洁、标准、强力三种模式，充满电后车辆静止工作 1 小时，然后再次充满电，读取充电桩上耗电量。改进后吸嘴吸拾能力大幅提升，因此在相同的垃圾量下，改进后吸嘴的作业速度可以增加，使得作业效率大幅提升，单位公里作业油耗降低。指标原模型 优化模型吸拾质量 g/m700800作业速度 km/h46噪声 dB(A)8076.9强力能耗 kwh3827表 3 试验性能参数对比图 9 优化后吸嘴样件图 10 优化前吸嘴清洁效果图 11 优化后吸嘴清洁效果由表 3 可知，优化后模型吸拾性能、作业噪声、能耗均优于原方案。5 结 论采用流体力学 CFD 方法对吸嘴进行了流场仿真分析，利用离散相模型对该吸嘴内颗粒运动进行了模拟，并结合试验手段对仿真计算结果进行了验证，得出如下结论：（1）优化前吸嘴由于气流进入管道时未进行导流，形成较强的流通阻力，产生较大的气流分离漩涡，增加了能耗及气动噪声。（2）优化后吸嘴增加了导流环，改善了吸嘴内部气流性能，未产生气流分离漩涡，使得吸拾效率提升 14%，气动噪声降低 3 分贝，能耗降低 29%，吸嘴性能大幅提升。（3）通过实际路面的吸尘试验，进一步表明了优化后吸嘴吸尘能力、噪声、能耗等指标均优于优化前吸嘴，验证了仿真分析的正确性。参考文献1 郗元,成凯,娄希同,等.反吹式吸嘴流场数值分析及吸尘效率研究 J.西南交通大学学报,2016,51(1):105112.2 徐浩,覃先云,肖庆麟,等.道路清洁车用宽吸嘴气固两相流分析及优化改进 J.建设机械技术与管理,2017,30(10):7478.3 朱伏龙.基于吸尘性能的吸尘口结构研究与流场分析D.上海：上海交通大学,2008.4 云现杰,杨忠炯,周立强,等.城市道路洗扫车降尘率仿真研究 J.计算机仿真,2014,31(10):191195.5 郭海乐,张增,马迎坤,等.洗扫车吸嘴结构分析及改进J.机电产品开发与创新,2019,32(3):2224.6 黄兴华,叶军一,熊杰.小型清扫车吸嘴的优化设计与试验 J.机械设计与研究,2019,35(4):168172.收稿日期：2023-04-05作者简介：鲁耀中，硕士，工程师，主要从事工程机械流场仿真方面的研究。