白云龍1 張愷悅1 李廣瑞2 趙力明2

1. 上海交通大學(xué) 上海 200240 2. 柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300000

1 前言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，全國公路總里程數(shù)快速上升。相應(yīng)地，人民生活對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛的需求量也急劇上升，以清掃車為代表的環(huán)衛(wèi)車輛將會(huì)進(jìn)行日益繁重的城市道路美化養(yǎng)護(hù)工作[1-2]。風(fēng)道系統(tǒng)是清掃車的核心作業(yè)系統(tǒng)，其主要功能是通過安裝在清掃車內(nèi)部的離心風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)的空氣進(jìn)行抽吸，使風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部形成負(fù)壓，在入口吸嘴處產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力，進(jìn)而吸入公路上的灰塵顆粒雜物。降低風(fēng)道系統(tǒng)的氣動(dòng)阻力可以有效降低風(fēng)機(jī)耗功，因而對(duì)于環(huán)衛(wèi)車輛節(jié)能減排有著重大意義。

清掃車整機(jī)氣道有諸多部件，包括吸盤、輸送管道、沉降室、風(fēng)機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)管與風(fēng)機(jī)等等。降低風(fēng)阻可以從各個(gè)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)著手。劉濱等對(duì)風(fēng)道拐角彎折處的半徑進(jìn)行改變，降低了氣路管道的總壓降損失[3]。張杜鵑等通過在沉降室頂部加置擋板對(duì)氣固混合物進(jìn)行降速，減少壓力損失以及垃圾對(duì)過濾網(wǎng)的沖擊[4]。然而該方法是一種被動(dòng)減阻和降低磨損的方法。另一方面，吸盤入口前通常有一塊軟擋板，用于將部分氣固混合物阻隔在外，使固體顆粒物處于滯止?fàn)顟B(tài)，顆粒物原有起跳速度較大，不利于被吸收清理[5]，使清掃車工作的實(shí)際效率大大降低。楊春朝等通過數(shù)值分析研究了風(fēng)道進(jìn)氣盒寬度以及氣管與后板的傾斜角度對(duì)清掃車吸塵能力的影響[6]。朱伏龍等對(duì)吸盤入口連接方式以及令吸盤上平面帶收縮角使清掃車吸塵能力增加[7]。現(xiàn)有的工作僅對(duì)擋板的開度、傾斜角度以及連接方式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)擋板本身的幾何優(yōu)化研究較少。

本文針對(duì)清掃車入口擋板與氣道幾何分別提出一種幾何優(yōu)化的方案，以提高清掃車的實(shí)際工作能力并降低整車的壓降損失，最后通過數(shù)值分析的方法對(duì)上述優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。

2 數(shù)值仿真方法

本文的研究對(duì)象為某型清掃車，該清掃車車廂尺寸為3 850 mm×2 470 mm×1 650 mm；離地間隙為10 mm；進(jìn)氣管直徑為180 mm；進(jìn)氣管間距為450 mm；進(jìn)氣管長(zhǎng)度為2 262 mm，其主要幾何數(shù)據(jù)如表1所示。清掃車系統(tǒng)真實(shí)模型截面如圖1所示。

表1 清掃車幾何參數(shù)

本文的研究使用三維流動(dòng)仿真軟件ANSYS CFX，對(duì)車廂主體以及氣道管路部分采用Mesh進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)清掃車離心風(fēng)機(jī)的葉輪部分采用Turbogrid進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，離心風(fēng)機(jī)蝸殼以及進(jìn)出口部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。離心風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為200萬，其中葉輪達(dá)到160萬；清掃車主體部分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為100萬。清掃車主體網(wǎng)格與離心風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格如圖2所示，在清掃車進(jìn)氣道前加入帶有凹槽的圓盤來更好地模擬氣流從四周進(jìn)入氣道的情況，整機(jī)計(jì)算域如圖3所示。

圖3 整機(jī)計(jì)算域

本文的數(shù)值分析采用穩(wěn)態(tài)雷諾平均N-S方程，湍流模型采用SST模型，計(jì)算殘差收斂給定小于10-4，入口邊界條件給定總溫總壓，分別為大氣壓力與300K常溫，出口邊界條件為質(zhì)量流量，工質(zhì)采用理想氣體。

3 減阻流動(dòng)控制方法

本文在原機(jī)模型的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，如圖4所示。在保留大部分原型的基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)氣管出口段進(jìn)行優(yōu)化,將進(jìn)氣管與沉降室的連接段由原有的直管改為漸擴(kuò)喇叭管。從風(fēng)道入口至管路的最高點(diǎn)距吸盤的垂直距離為2 622.84 mm，從距離吸盤2 263 mm的高度開始將進(jìn)氣管加工成漸擴(kuò)段并保留原有的斜切外形，切至高度為2 253mm，漸擴(kuò)角度為前后兩個(gè)方向各開6°。該結(jié)構(gòu)能使氣流進(jìn)入沉降室的速度顯著降低，不僅能降低整機(jī)的壓降，還能減緩氣固混合物對(duì)車頂以及導(dǎo)流板的沖擊作用，有效降低沉降室磨損量。

圖4 漸擴(kuò)式進(jìn)氣管幾何

吸盤入口的軟擋板用于擋住公路上尺寸較大的雜物進(jìn)入風(fēng)道系統(tǒng)，同時(shí)擋板使流動(dòng)入口處的有效流通面積變小，在吸盤內(nèi)腔內(nèi)造成高速氣流流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸塵作用。擋板離地間隙是吸盤最為關(guān)鍵的幾何參數(shù)。間隙過小則造成極大的節(jié)流損失，而間隙過大則導(dǎo)致氣流速度不夠，吸塵能力不足。為了同時(shí)保證吸塵能力和較低的流動(dòng)阻力，本研究在風(fēng)道入口處呈具有設(shè)計(jì)槽孔陣列的渦發(fā)生結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在視圖AA方向可以看到渦發(fā)生結(jié)構(gòu)的具體位置及尺寸。槽孔距離擋板邊緣的距離是48 mm，槽孔自身為邊長(zhǎng)為32 mm的正方形孔，槽孔貫穿擋板厚度，相鄰槽孔之間的距離為32 mm，本文的設(shè)計(jì)共有11個(gè)等間距的槽孔。一方面，該結(jié)構(gòu)可以有效增加軟擋板的等效離地間隙，減少節(jié)流損失；另一方面，該結(jié)構(gòu)能在吸盤內(nèi)產(chǎn)生局部渦，使附著在入口擋板處的固體顆粒物產(chǎn)生擾動(dòng)，降低起跳速度，更容易被吸收清理。

圖5 清掃車渦發(fā)生結(jié)構(gòu)

4 結(jié)果分析

圖6是質(zhì)量流量3.5 kg/s工況下，原機(jī)與帶渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何的入口擋板處的速度圖。從圖中可見，帶有渦發(fā)生結(jié)構(gòu)的幾何在吸嘴入口處產(chǎn)生了局部渦，流體的流動(dòng)在槽孔處卷繞進(jìn)入吸嘴；而原機(jī)模型的吸嘴入口沒有渦，流體只是進(jìn)行一些無序的運(yùn)動(dòng)。此外，流體在渦發(fā)生結(jié)構(gòu)槽孔的位置速度明顯增大，可達(dá)到平均85 m/s；原機(jī)幾何在入口處的速度明顯低于帶渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何。帶渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何在吸嘴入口的流動(dòng)情況明顯優(yōu)于原機(jī)幾何，有利于固體顆粒物的吸收與清理。

圖7是清掃車風(fēng)道入口處截面的熵增圖，加入渦發(fā)生結(jié)構(gòu)之后，其附近的區(qū)域雖然產(chǎn)生了許多小渦，但是熵增卻顯著降低了，由原機(jī)的25 J/(kg·k)降低到15 J/(kg·k)以下，該結(jié)構(gòu)不僅降低了固體顆粒物的起跳速度，還降低了入口局部的損失。

圖6 質(zhì)量流量3.5 kg/s工況下清掃車入口速度圖

圖7 風(fēng)道入口的熵增圖

原機(jī)與帶渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何的風(fēng)道系統(tǒng)（從清掃車入口至風(fēng)機(jī)入口）的壓降損失，如圖8所示。使用渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何之后，整個(gè)清掃車流道的平均壓損明顯降低。在小流量工況下，渦發(fā)生結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓損比原機(jī)平均降低500 Pa，下降16.7%；在大流量工況下，渦發(fā)生結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓損平均比原機(jī)降低3 000 Pa，下降33.3%?？梢?，流量越大，帶渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何的進(jìn)出口壓損降低越多，這種優(yōu)化幾何在大流量工況下的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖9對(duì)比了原機(jī)與漸擴(kuò)管在風(fēng)道出口處至導(dǎo)流板前緣的速度分布。在此區(qū)域原機(jī)幾何的平均速度達(dá)到60 m/s以上，而優(yōu)化幾何的平均速度低于40 m/s。優(yōu)化幾何的平均速度較原機(jī)幾何下降了33.3%，顯著降低了由于氣流沖擊沉降室底部造成的損失以及氣固混合物對(duì)導(dǎo)流板的沖擊。

圖8 原機(jī)與渦發(fā)生結(jié)構(gòu)幾何的進(jìn)出口壓降

圖9 兩種幾何的風(fēng)道管路出口風(fēng)速分布

圖10為兩種幾何在風(fēng)道出口處至導(dǎo)流板的流線圖。在原機(jī)幾何的導(dǎo)流板處，流線產(chǎn)生了一個(gè)明顯的渦，而優(yōu)化后的幾何流體的流線是光滑順暢的。由此可見，漸擴(kuò)管降低出口氣流速度，進(jìn)而使得流體沿導(dǎo)流板的流動(dòng)更順暢，有利于使固體顆粒物減少雜亂無章的運(yùn)動(dòng)，順利沉降至廂底，并有效降低流動(dòng)損失。

圖11對(duì)比了原機(jī)與帶漸擴(kuò)管幾何在清掃車進(jìn)出口的壓降曲線圖。使用漸擴(kuò)喇叭管之后，整個(gè)清掃車流道的壓損明顯降低。小流量工況下，漸擴(kuò)管進(jìn)出口壓損平均降低100 Pa，比原機(jī)下降5%；在大流量工況下，漸擴(kuò)管進(jìn)出口壓損平均降低1 000 Pa，比原機(jī)下降11%。流量越大漸擴(kuò)喇叭管的損失降低越大，因此這種優(yōu)化幾何在大流量工況下的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖10 風(fēng)道出口流線圖

圖11 原機(jī)與漸擴(kuò)管幾何的進(jìn)出口壓降圖

圖12顯示了以上兩種流動(dòng)控制方法在降低風(fēng)道系統(tǒng)流動(dòng)損失方面的綜合效果。可以看出，采用擋板渦發(fā)生結(jié)構(gòu)和漸擴(kuò)管的風(fēng)道系統(tǒng)在損失方面的優(yōu)勢(shì)隨流量增加快速擴(kuò)大。特別是在最大流量工況，該綜合方案將減小流動(dòng)損失近31%。

圖12 原機(jī)與改進(jìn)幾何的進(jìn)出口壓降圖

5 結(jié)語

本文針對(duì)常用清掃車風(fēng)道系統(tǒng)的損失規(guī)律與機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并提出了風(fēng)道系統(tǒng)降阻流動(dòng)控制方法，得到以下主要結(jié)論：

a. 吸嘴處的節(jié)流損失是清掃車風(fēng)道系統(tǒng)損失的主要原因之一；通過在吸盤入口擋板處設(shè)計(jì)槽孔陣列構(gòu)成渦發(fā)生結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一方面由于增加了等效離地間隙可顯著降低節(jié)流損失，另一方面產(chǎn)生強(qiáng)非定常渦，從而降低吸嘴內(nèi)固體顆粒的起跳速度，使垃圾顆粒更容易被吸收清理。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)最大可降低風(fēng)道系統(tǒng)流動(dòng)損失33%；

b. 通過將沉降室內(nèi)的輸送管道由原機(jī)直筒圓柱形出口改為漸擴(kuò)型喇叭管構(gòu)型，可有效降低管道出口氣流速度，進(jìn)而降低風(fēng)道系統(tǒng)流阻，并有效抑制氣流對(duì)沉降室頂部的沖擊，從而減緩垃圾顆粒對(duì)沉降室壁面的磨損作用。