楊春朝,章易程,歐陽智江,2,張晶,楊松枝,張睿之
(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙,410075;2.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京,100191)
目前,我國(guó)地鐵垃圾主要由人工在列車停運(yùn)時(shí)間內(nèi)清掃,由于停運(yùn)時(shí)間短,不僅存在人身安全隱患,清掃質(zhì)量也難以滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》和《車站行車細(xì)則》的有關(guān)規(guī)定[1]。真空吸塵車目前僅用于公路、街道的清掃。吸塵口作為真空吸塵車的關(guān)鍵部件,對(duì)清掃質(zhì)量有重要影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,如:陳忠基等[2]設(shè)計(jì)了帶有與地面平行的翼板和側(cè)擋板的吸塵口;朱伏龍等[3]根據(jù)CFD技術(shù)的仿真分析,設(shè)計(jì)了過渡連接的帶收縮角的吸塵口;施天亮[4]研究了利用導(dǎo)管將氣流引向地面吹起塵粒的吸塵口;曾廣銀等[5]設(shè)計(jì)了帶導(dǎo)流擋板的弧形吸塵口;Peel等[6?7]研究了一面進(jìn)氣的卷邊純吸式吸塵口和吹吸式吸塵口;Yoo等[8]設(shè)計(jì)了有1個(gè)旋風(fēng)分離室和1個(gè)集塵室的真空吸塵器;Oh[9]設(shè)計(jì)了有2個(gè)旋風(fēng)分離裝置并帶有可拆卸集塵裝置的真空吸塵器。上述研究對(duì)吸塵口的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義,但均沒有對(duì)吸塵口各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全面研究,也沒有利用氣固兩相流模型驗(yàn)證吸起的顆粒粒徑。為此,本文作者通過分析吸塵口各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)清掃質(zhì)量和效果的影響規(guī)律,提出一種改進(jìn)型吸塵口,并采用氣固兩相流模型模擬驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。
吸塵口由吸塵盒和排氣管組成,從吸塵盒前面和兩側(cè)面進(jìn)氣,從排氣管排氣。其結(jié)構(gòu)可用如圖1所示的參數(shù)來描述。其中:D為排氣管直徑;H1為排氣管高度;β為排氣管傾角;H2為吸塵盒高度;L為吸塵盒長(zhǎng)度;B為吸塵盒寬度;α為吸塵口正面收縮角。吸塵口長(zhǎng)度 L根據(jù)鐵路軌距和吸塵口的排列方式確定,而排氣管高度 H1、吸塵盒高度 H2主要由吸塵口的布置形式和車底高度決定。
圖1 吸塵口結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Structure parameters of dust collection port
吸塵口計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示。由于吸塵口結(jié)構(gòu)不規(guī)則,利用Gambit劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。流場(chǎng)計(jì)算采用進(jìn)口壓強(qiáng)、出口壓強(qiáng)的邊界條件,進(jìn)口壓強(qiáng)設(shè)為1×105Pa,出口相對(duì)壓強(qiáng)設(shè)為?1.8 kPa。由于k?ε方程能很好地預(yù)測(cè)氣流速度[10],所以,將其作為湍流計(jì)算模型。
圖2 吸塵口計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.2 Calculation meshed model of dust collection port
1.3.1 流場(chǎng)方程
通過 CFD軟件采用相應(yīng)數(shù)學(xué)模型可仿真氣流軌跡、速度、壓強(qiáng)等流場(chǎng)情況。
(1)連續(xù)性方程:
式中:ρ 為流體密度;v 為流體速度。
(2)k?ε方程:
式中:k 為湍流動(dòng)能;ε 為動(dòng)能耗散系數(shù)。
1.3.2 塵粒啟動(dòng)速度
塵粒啟動(dòng)速度是指塵粒開始滑動(dòng)、翻滾并即將懸浮的最小風(fēng)速。只有當(dāng)風(fēng)速超過這一最小風(fēng)速時(shí),塵粒才有可能發(fā)生移動(dòng)[11]。Bagnold認(rèn)為[12]:當(dāng)塵粒啟動(dòng)時(shí),塵粒的迎面阻力和重力應(yīng)平衡,據(jù)此提出了粒徑大于0.08 mm的塵粒起動(dòng)的臨界速度u*t為:
式中:ρs為塵粒密度;d 為塵粒粒徑;g為重力加速度;A 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
根據(jù)式(5)和朱伏龍的實(shí)驗(yàn)[13],可算出如圖3所示密度為1.3 t/m3的泥塊啟動(dòng)速度隨粒徑變化的曲線。
圖3 泥塊啟動(dòng)速度Fig.3 Startup speed of clay
由塵粒啟動(dòng)理論[11,14]可知:當(dāng)近地面氣流速度大于啟動(dòng)速度時(shí),塵粒才能被順利吸起,排氣管入口處真空度高才有利于塵粒從吸塵盒進(jìn)入排氣管。因此,本文主要考察各參數(shù)對(duì)近地面氣流速度與排氣管入口處的真空度的影響,利用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。分析時(shí),分別取前進(jìn)氣面、側(cè)進(jìn)氣面以及內(nèi)腔中部覆蓋面積最廣的近地面速度作為前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和中部速度;取排氣管入口的平均壓強(qiáng)進(jìn)行分析。由Fluent計(jì)算出來的速度與壓強(qiáng)是用一定數(shù)值范圍的矢量圖和云圖表示的,因此,分析時(shí),取值會(huì)存在一定人為誤差,但這對(duì)于把握變化趨勢(shì)仍具有重要指導(dǎo)意義。
1.4.1 吸塵盒寬度
設(shè)吸塵盒長(zhǎng)度L=480 mm,排氣管直徑D=L/4,高度H2=50 mm。通過改變寬度B與長(zhǎng)度L之比iBL來改變吸塵盒寬度,流場(chǎng)結(jié)果如圖4所示。
從圖4可見:隨著寬長(zhǎng)比iBL即寬度的增加,側(cè)進(jìn)氣面速度先增大后減小,中部速度減小較明顯,前進(jìn)氣面速度略有減小,排氣管入口壓強(qiáng)明顯增大。這是由于寬度較小時(shí),隨著寬度增大,兩側(cè)進(jìn)氣變得更加順暢,從而側(cè)進(jìn)氣面速度增加;當(dāng)寬度增加至長(zhǎng)度的1/2后繼續(xù)增加時(shí),側(cè)進(jìn)氣面積的增大起主要影響作用,導(dǎo)致側(cè)進(jìn)氣面速度下降;隨著寬度增加,內(nèi)部橫截面積增加,導(dǎo)致中部速度下降;寬度增加導(dǎo)致側(cè)面進(jìn)氣量增加,在寬度小于長(zhǎng)度且吸塵功率一定時(shí),前進(jìn)氣面的進(jìn)氣量略減小,導(dǎo)致前進(jìn)氣面速度略減??;隨著寬度增加,排氣管入口通過側(cè)面越接近大氣,使得真空度變小,因此,排氣管入口壓強(qiáng)增大。
1.4.2 排氣管直徑
設(shè)吸塵盒長(zhǎng)度L=480 mm,吸塵盒寬度B=5L/8,高度H2=50 mm,通過改變排氣管直徑D與吸塵盒長(zhǎng)度 L之比 iDL來改變排氣管直徑,流場(chǎng)結(jié)果如圖 5所示。
圖4 寬長(zhǎng)比iBL對(duì)速度和壓強(qiáng)的影響Fig.4 Effect of ratio of width to length on speed and pressure
圖5 徑長(zhǎng)比iDL對(duì)速度與壓強(qiáng)的影響Fig.5 Effect of ratio of diameter to length on speed and pressure
從圖5可見:當(dāng)徑長(zhǎng)比iDL小于1:3時(shí),隨著排氣管直徑增加,前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和中部速度均增大,排氣管入口壓強(qiáng)減小;當(dāng)徑長(zhǎng)比大于 1:3時(shí),上述變化不明顯。這是由于當(dāng)徑長(zhǎng)比小于1:3時(shí),排氣管出口壓強(qiáng)為定值,管徑增大將導(dǎo)致出口面積增大,吸氣功率變大;同時(shí),排氣管與吸塵盒連接處的截面積突變減小,局部損失減少,使得前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和中部速度增大。排氣管直徑的增加使排氣管進(jìn)出口兩端的沿程損失減小,因此,排氣管入口壓強(qiáng)變?。划?dāng)徑長(zhǎng)比大于1:3時(shí),隨著吸塵功率增大,流速增大,從而產(chǎn)生更大的沿程損失,吸塵功率的增加程度與損失的程度接近相等,導(dǎo)致上述速度與壓強(qiáng)的變化不明顯。
1.4.3 排氣管傾角
設(shè)吸塵盒長(zhǎng)度L=480 mm,吸塵盒寬度B=L/2,排氣管直徑D= L /4,高度H2=50 mm,后板傾角與排氣管傾角保持一致,排氣管傾角β取不同值,流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
圖6 傾角對(duì)速度壓強(qiáng)的影響Fig.6 Effect of oblique angle on speed and pressure
從圖 6可見:隨著排氣管傾角的增大,以110°~120°為界,前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和中部速度均先增大后減小,排氣管入口壓強(qiáng)則先減小后增大。這是由于排氣管傾角較小時(shí),能量損失主要是由于排氣管傾角的增加使前板與排氣管夾角變小,因此,排氣管與吸塵盒的連接變得更順暢,局部損失變小,吸塵盒吸氣功率增加,從而使前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和中部速度增大,排氣管入口壓強(qiáng)減小。排氣管傾角增大至 110°~120°后再變大時(shí),吸塵盒內(nèi)的進(jìn)氣空間變得狹長(zhǎng),導(dǎo)致該處的局部損失增大,對(duì)地面的吸塵功率減小,因此,前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和中部速度減?。煌瑫r(shí),隨著排氣管傾角增大,排氣管與吸塵盒連接處截面積突變?cè)龃?,使得吸塵盒內(nèi)的壓強(qiáng)受排氣管出口處的負(fù)壓影響小,導(dǎo)致排氣管入口壓強(qiáng)增大。
根據(jù)上述分析,設(shè)計(jì)了如圖7所示的改進(jìn)型吸塵口。該吸塵口各面均為流線型曲面,使氣流更順暢和更貼地面。為了驗(yàn)證吸塵口優(yōu)化后的吸塵效果,對(duì)其內(nèi)部氣流相進(jìn)行計(jì)算分析,并對(duì)固體相的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬。
圖7 改進(jìn)型吸塵口Fig.7 Improved dust collection port
2.2.1 速度
圖8所示為吸塵口速度矢量。其中:圖8(a)和(b)中Ⅰ位置處表示的前進(jìn)氣面速度以及圖 8(a)中Ⅱ處表示側(cè)進(jìn)氣面速度范圍均為26.6~29.5 m/s;圖8(a)中Ⅲ位置處表示的中部速度范圍為29.5~32.4 m/s,這些速度均大于圖3所示的泥塊啟動(dòng)速度,且方向都緊貼地面。此外,圖8(b)中Ⅳ位置處表示的排氣管出口氣流速度范圍為38.2~52.6 m/s,這使得泥塊、塵粒等容易進(jìn)入集塵箱。
圖8 吸塵口速度Fig.8 Speed vector graph of dust collection port
2.2.2 對(duì)稱面壓強(qiáng)
圖9所示為吸塵口左右對(duì)稱面壓強(qiáng)。由圖9中Ⅰ位置處可知:排氣管入口壓強(qiáng)平均值為99 652.4 Pa,小于大氣壓強(qiáng),能提供負(fù)壓使塵粒從吸塵盒進(jìn)入排氣管。
圖9 吸塵口左右對(duì)稱面壓強(qiáng)Fig.9 Pressure graph on bilateral symmetry plane of dust collection port
2.2.3 流線
圖10所示為吸塵口內(nèi)部流線分布。從圖10可見:流線非常平滑順暢,無渦流,因而能量損失很小。
圖10 吸塵口流線Fig.10 Flow chart of dust collection port
2.3.1 數(shù)值模型
由于研究中要考慮到塵粒的碰撞和跟蹤塵粒運(yùn)動(dòng)軌跡,本文采用歐拉?格朗日分散相(DPM)模型[15]。
2.3.2 顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡
直徑為 30 mm的黏土塊在吸塵口內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示。從圖11可見:直徑為30 mm的黏土塊能從吸塵口吸入排氣管。
圖11 粒徑30 mm的黏土塊運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Trace of clay with diameter of 30 mm
(1)吸塵盒寬度的增加對(duì)前進(jìn)氣面速度影響不大,但降低了排氣管入口的真空度不利于吸塵。
(2)排氣管直徑小于吸塵盒長(zhǎng)度的 1/3時(shí)相應(yīng)增大有利于增強(qiáng)吸塵能力。
(3)排氣管與后板一起的傾斜角在小于 110°時(shí)增加有利于提高吸塵能力。
(4)吸塵能力強(qiáng)的吸塵口應(yīng)具有近地面氣流速度大、方向緊貼地面,內(nèi)部無渦流,排氣管入口真空度大,固體顆粒能明顯進(jìn)入排氣管等特點(diǎn)。
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