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。

1 參數(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

1.2 前置處理

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 數(shù)學(xué)模型

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

1.4 參數(shù)影響分析

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。

2 改進(jìn)型吸塵口流場(chǎng)分析

2.1 物理模型

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 氣流相分析

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 顆粒相分析

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

3 結(jié)論

（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)。

[1]李欣,王慶彪,宮儒昕.新型道路岔保養(yǎng)清掃機(jī)的研制[J].鐵路運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2007,29（7）:34?35.LI Xin,WANG Qing-biao,GONG Ru-xin.New road sweeping machine for fork maintenance[J].Railway Transportation and Economy,2007,29（7）:34?35.

[2]陳忠基,吳曉元,徐廣譜,等.路面清掃車吸嘴裝置的實(shí)驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,29（12）:1483?1485.CHEN Zhong-ji,WU Xiao-yuan,XU Guang-pu,et al.Experimental study on suction mouth of vacuum sweeper[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2001,29（12）:1483?1485.

[3]朱伏龍,張冠哲,陳杰.真空吸塵車吸塵口的流場(chǎng)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008（11）:50?52.ZHU Fu-long,ZHANG Guan-zhe,CHEN Jie.Flow field analysis and structure optimization of vacuum sweeper suction mouth[J].Machinery Design &Manufacture,2008（11）:50?52.

[4]施天亮.全氣動(dòng)干式吸塵車:中國(guó),CN1456752A[P].2003?11?19.SHI Tian-liang.Pneumatic dry vacuum truck:China,CN1456752A[P].2003?11?19.

[5]曾廣銀,李欣峰,肖田元,等.公路清掃車吸塵系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16（12）:2770?2773.ZENG Guang-yin,LI Xin-feng,XIAO Tian-yuan,et al.Simulation for the design of dust suction system of highway sweeper[J].Journal of System Simulation,2004,16（12）:2770?2773.

[6]Peel G,Michielen M,Parker G.Some aspects of road sweeping vehicle automation[R].Como:Surrey University,2001:5?20.

[7]Strauser D P,Field R E.Street sweeper pick- up head:United States,5839157[P].1998?11?24.

[8]Yoo D H,Choung M S,You J S.Dust collection apparatus for vacuum cleaner:Korea,US7597730B2[P].2009?10?06.

[9]Oh J K.Cyclone dust-collecting apparatus for vacuum cleaner:US7879121B2[P].2011?12?01.

[10]YUAN Feng-dong,YOU Shi-jun.CFD simulation and optimization of the ventilation for subway side- plateform[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,22（4）:474?482.

[11]Nickling W G.The initiation of particle movement by wind[J].Sedimentology,1998,35（3）:499?511.

[12]Bagnold R A.The physics of blown sand and desert dunes[M].New York:William Morrow &Company,1941:167?181.

[13]朱伏龍.基于吸塵性能的吸塵口結(jié)構(gòu)研究與流場(chǎng)分析[D].上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,2008:30?38.ZHU Fu-long.The structure research and flow field analysis of dust collection port based on sucking performance[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University.School of Mechanical and Dynamic Engineering,2008:30?38.

[14]李戰(zhàn)軍,鄭炳旭.塵粒起動(dòng)機(jī)理的初步研究[J].爆破,2003,20（4）:17?19.LI Zhan-jun,ZHENG Bing-xu.Mechanism of the movement of dust particles[J].Blasting,2003,20（4）:17?19.

[15]吳學(xué)明.電解鋁煙氣凈化設(shè)備的氣固兩相數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,2007:12?17.WU Xue-ming.Numerical simulation and experimental study on gas-solid two-phase of aluminum flue gas purification equipment[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology.College of Chemistry and Chemical Engineering,2007:12?17.