基于流场模拟的真空清扫车吸尘口的参数设计

杨春朝，章易程，欧阳智江,2，张晶，杨松枝，张睿之

（1.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075；2.北京航空航天大学 宇航学院，北京，100191）

目前，我国地铁垃圾主要由人工在列车停运时间内清扫，由于停运时间短，不仅存在人身安全隐患，清扫质量也难以满足《铁路技术管理规程》和《车站行车细则》的有关规定[1]。真空吸尘车目前仅用于公路、街道的清扫。吸尘口作为真空吸尘车的关键部件，对清扫质量有重要影响。国内外学者针对其设计进行了研究，如：陈忠基等[2]设计了带有与地面平行的翼板和侧挡板的吸尘口；朱伏龙等[3]根据CFD技术的仿真分析，设计了过渡连接的带收缩角的吸尘口；施天亮[4]研究了利用导管将气流引向地面吹起尘粒的吸尘口；曾广银等[5]设计了带导流挡板的弧形吸尘口；Peel等[6−7]研究了一面进气的卷边纯吸式吸尘口和吹吸式吸尘口；Yoo等[8]设计了有1个旋风分离室和1个集尘室的真空吸尘器；Oh[9]设计了有2个旋风分离装置并带有可拆卸集尘装置的真空吸尘器。上述研究对吸尘口的设计具有重要指导意义，但均没有对吸尘口各结构参数进行全面研究，也没有利用气固两相流模型验证吸起的颗粒粒径。为此，本文作者通过分析吸尘口各结构参数对清扫质量和效果的影响规律，提出一种改进型吸尘口，并采用气固两相流模型模拟验证其设计的合理性。

1 参数分析

1.1 结构参数

吸尘口由吸尘盒和排气管组成，从吸尘盒前面和两侧面进气，从排气管排气。其结构可用如图1所示的参数来描述。其中：D为排气管直径；H1为排气管高度；β为排气管倾角；H2为吸尘盒高度；L为吸尘盒长度；B为吸尘盒宽度；α为吸尘口正面收缩角。吸尘口长度 L根据铁路轨距和吸尘口的排列方式确定，而排气管高度 H1、吸尘盒高度 H2主要由吸尘口的布置形式和车底高度决定。

图1 吸尘口结构参数Fig.1 Structure parameters of dust collection port

1.2 前置处理

吸尘口计算网格模型如图2所示。由于吸尘口结构不规则，利用Gambit划分时采用非结构网格。流场计算采用进口压强、出口压强的边界条件，进口压强设为1×105Pa，出口相对压强设为−1.8 kPa。由于k−ε方程能很好地预测气流速度[10]，所以，将其作为湍流计算模型。

图2 吸尘口计算网格模型Fig.2 Calculation meshed model of dust collection port

1.3 数学模型

1.3.1 流场方程

通过 CFD软件采用相应数学模型可仿真气流轨迹、速度、压强等流场情况。

（1）连续性方程：

式中：ρ 为流体密度；v 为流体速度。

（2）k−ε方程：

式中：k 为湍流动能；ε 为动能耗散系数。

1.3.2 尘粒启动速度

尘粒启动速度是指尘粒开始滑动、翻滚并即将悬浮的最小风速。只有当风速超过这一最小风速时，尘粒才有可能发生移动[11]。Bagnold认为[12]：当尘粒启动时，尘粒的迎面阻力和重力应平衡，据此提出了粒径大于0.08 mm的尘粒起动的临界速度u*t为：

式中：ρs为尘粒密度；d 为尘粒粒径；g为重力加速度；A 为经验系数。

根据式（5）和朱伏龙的实验[13]，可算出如图3所示密度为1.3 t/m3的泥块启动速度随粒径变化的曲线。

图3 泥块启动速度Fig.3 Startup speed of clay

1.4 参数影响分析

由尘粒启动理论[11,14]可知：当近地面气流速度大于启动速度时，尘粒才能被顺利吸起，排气管入口处真空度高才有利于尘粒从吸尘盒进入排气管。因此，本文主要考察各参数对近地面气流速度与排气管入口处的真空度的影响，利用Fluent进行流场计算。分析时，分别取前进气面、侧进气面以及内腔中部覆盖面积最广的近地面速度作为前进气面速度、侧进气面速度和中部速度；取排气管入口的平均压强进行分析。由Fluent计算出来的速度与压强是用一定数值范围的矢量图和云图表示的，因此，分析时，取值会存在一定人为误差，但这对于把握变化趋势仍具有重要指导意义。

1.4.1 吸尘盒宽度

设吸尘盒长度L=480 mm，排气管直径D=L/4，高度H2=50 mm。通过改变宽度B与长度L之比iBL来改变吸尘盒宽度，流场结果如图4所示。

从图4可见：随着宽长比iBL即宽度的增加，侧进气面速度先增大后减小，中部速度减小较明显，前进气面速度略有减小，排气管入口压强明显增大。这是由于宽度较小时，随着宽度增大，两侧进气变得更加顺畅，从而侧进气面速度增加；当宽度增加至长度的1/2后继续增加时，侧进气面积的增大起主要影响作用，导致侧进气面速度下降；随着宽度增加，内部横截面积增加，导致中部速度下降；宽度增加导致侧面进气量增加，在宽度小于长度且吸尘功率一定时，前进气面的进气量略减小，导致前进气面速度略减小；随着宽度增加，排气管入口通过侧面越接近大气，使得真空度变小，因此，排气管入口压强增大。

1.4.2 排气管直径

设吸尘盒长度L=480 mm，吸尘盒宽度B=5L/8，高度H2=50 mm，通过改变排气管直径D与吸尘盒长度 L之比 iDL来改变排气管直径，流场结果如图 5所示。

图4 宽长比iBL对速度和压强的影响Fig.4 Effect of ratio of width to length on speed and pressure

图5 径长比iDL对速度与压强的影响Fig.5 Effect of ratio of diameter to length on speed and pressure

从图5可见：当径长比iDL小于1:3时，随着排气管直径增加，前进气面速度、侧进气面速度和中部速度均增大，排气管入口压强减小；当径长比大于 1:3时，上述变化不明显。这是由于当径长比小于1:3时，排气管出口压强为定值，管径增大将导致出口面积增大，吸气功率变大；同时，排气管与吸尘盒连接处的截面积突变减小，局部损失减少，使得前进气面速度、侧进气面速度和中部速度增大。排气管直径的增加使排气管进出口两端的沿程损失减小，因此，排气管入口压强变小；当径长比大于1:3时，随着吸尘功率增大，流速增大，从而产生更大的沿程损失，吸尘功率的增加程度与损失的程度接近相等，导致上述速度与压强的变化不明显。

1.4.3 排气管倾角

设吸尘盒长度L=480 mm，吸尘盒宽度B=L/2，排气管直径D= L /4，高度H2=50 mm，后板倾角与排气管倾角保持一致，排气管倾角β取不同值，流场计算结果如图6所示。

图6 倾角对速度压强的影响Fig.6 Effect of oblique angle on speed and pressure

从图 6可见：随着排气管倾角的增大，以110°～120°为界，前进气面速度、侧进气面速度和中部速度均先增大后减小，排气管入口压强则先减小后增大。这是由于排气管倾角较小时，能量损失主要是由于排气管倾角的增加使前板与排气管夹角变小，因此，排气管与吸尘盒的连接变得更顺畅，局部损失变小，吸尘盒吸气功率增加，从而使前进气面速度、侧进气面速度和中部速度增大，排气管入口压强减小。排气管倾角增大至 110°～120°后再变大时，吸尘盒内的进气空间变得狭长，导致该处的局部损失增大，对地面的吸尘功率减小，因此，前进气面速度、侧进气面速度和中部速度减小；同时，随着排气管倾角增大，排气管与吸尘盒连接处截面积突变增大，使得吸尘盒内的压强受排气管出口处的负压影响小，导致排气管入口压强增大。

2 改进型吸尘口流场分析

2.1 物理模型

根据上述分析，设计了如图7所示的改进型吸尘口。该吸尘口各面均为流线型曲面，使气流更顺畅和更贴地面。为了验证吸尘口优化后的吸尘效果，对其内部气流相进行计算分析，并对固体相的运动情况进行模拟。

图7 改进型吸尘口Fig.7 Improved dust collection port

2.2 气流相分析

2.2.1 速度

图8所示为吸尘口速度矢量。其中：图8（a）和（b）中Ⅰ位置处表示的前进气面速度以及图 8（a）中Ⅱ处表示侧进气面速度范围均为26.6～29.5 m/s；图8（a）中Ⅲ位置处表示的中部速度范围为29.5～32.4 m/s，这些速度均大于图3所示的泥块启动速度，且方向都紧贴地面。此外，图8（b）中Ⅳ位置处表示的排气管出口气流速度范围为38.2～52.6 m/s，这使得泥块、尘粒等容易进入集尘箱。

图8 吸尘口速度Fig.8 Speed vector graph of dust collection port

2.2.2 对称面压强

图9所示为吸尘口左右对称面压强。由图9中Ⅰ位置处可知：排气管入口压强平均值为99 652.4 Pa，小于大气压强，能提供负压使尘粒从吸尘盒进入排气管。

图9 吸尘口左右对称面压强Fig.9 Pressure graph on bilateral symmetry plane of dust collection port

2.2.3 流线

图10所示为吸尘口内部流线分布。从图10可见：流线非常平滑顺畅，无涡流，因而能量损失很小。

图10 吸尘口流线Fig.10 Flow chart of dust collection port

2.3 颗粒相分析

2.3.1 数值模型

由于研究中要考虑到尘粒的碰撞和跟踪尘粒运动轨迹，本文采用欧拉−格朗日分散相（DPM）模型[15]。

2.3.2 颗粒相运动轨迹

直径为 30 mm的黏土块在吸尘口内的运动轨迹如图11所示。从图11可见：直径为30 mm的黏土块能从吸尘口吸入排气管。

图11 粒径30 mm的黏土块运动轨迹Fig.11 Trace of clay with diameter of 30 mm

3 结论

（1）吸尘盒宽度的增加对前进气面速度影响不大，但降低了排气管入口的真空度不利于吸尘。

（2）排气管直径小于吸尘盒长度的 1/3时相应增大有利于增强吸尘能力。

（3）排气管与后板一起的倾斜角在小于 110°时增加有利于提高吸尘能力。

（4）吸尘能力强的吸尘口应具有近地面气流速度大、方向紧贴地面，内部无涡流，排气管入口真空度大，固体颗粒能明显进入排气管等特点。

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