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        清掃車吸口氣流速度及壓力損失研究

        2020-07-15 02:35:40張晨光謝立揚(yáng)
        建筑機(jī)械 2020年6期
        關(guān)鍵詞:清掃車塵粒喉管

        張晨光,謝立揚(yáng)

        (長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

        引風(fēng)機(jī)是吸掃式清掃車的“心臟”。引風(fēng)機(jī)造成的空氣流動(dòng)使吸口處形成負(fù)壓,從而完成對(duì)垃圾的撿拾和吸送。引風(fēng)機(jī)的選擇對(duì)清掃車的清掃效率起決定作用[1]。在清掃車的設(shè)計(jì)過(guò)程中,風(fēng)機(jī)是根據(jù)垃圾的類型與管路阻力的大小而定。其中,吸口處的壓力損失是管路阻力計(jì)算的重要環(huán)節(jié),約占總壓損的30%[2-3]。吸口處的負(fù)壓不僅要負(fù)責(zé)完成對(duì)垃圾的可靠收集,而且還對(duì)吸口處的除塵起一定作用。吸口處的氣流速度越高,負(fù)壓也就越大,水流的霧化程度越好,對(duì)垃圾塵粒的捕獲、凝集作用越強(qiáng),從而使除塵效果提高。但風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的提高,會(huì)使設(shè)備能耗增加,噪聲增大[4]。

        長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)于清掃車管路阻力尤其是吸口處的壓力損失,還未提出一套合理的計(jì)算方法,更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。因此,本文主要通過(guò)對(duì)吸口處的速度特性和壓力分布進(jìn)行分析,建立起吸口壓力損失的計(jì)算模型,并利用Fluent流體力學(xué)軟件進(jìn)行仿真,為風(fēng)機(jī)和管路系統(tǒng)的參數(shù)選擇提供理論基礎(chǔ)。

        1 吸口壓力特性分析

        清掃車在作業(yè)過(guò)程中,利用高壓風(fēng)機(jī)在吸口與地面的間隙中產(chǎn)生強(qiáng)大的負(fù)壓,從而形成較大的氣流加速度。垃圾塵粒在高速氣流的擾動(dòng)下,其速度幾乎從靜止?fàn)顟B(tài)迅速加速到接近或等于氣流速度。在這一過(guò)程中,吸嘴處的壓力損失與空氣密度、氣流速度、吸口管壁摩擦系數(shù)、吸口管段長(zhǎng)等參數(shù)有關(guān)。在清掃車作業(yè)過(guò)程中,吸口的工作過(guò)程可以看作是一種氣固兩相流的稀相輸送過(guò)程。其中,對(duì)于粉塵狀垃圾塵粒的輸送,雖然其與空氣的容積混合比Φ較低(Φ為垃圾塵粒與空氣的速度比),一般低于5%,但混合較為均勻,且運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)(即Φ≈1),可以看作與空氣速度一致的一相流。密度ρs根據(jù)混合比的不同,在1.293~2.0kg/m3的范圍內(nèi)波動(dòng)。對(duì)于吸入的較大體積的顆粒狀或塊狀垃圾,由于其混合比的難預(yù)料性和物料性質(zhì)的不確定性,很難按統(tǒng)一的形式計(jì)算。圖1為典型的吸掃式清掃車的吸口模型。

        圖1 清掃車吸口模型

        清掃車在工作過(guò)程中,吸口與地面之間始終會(huì)保持10mm左右的空隙,利用風(fēng)機(jī)的引風(fēng)作用在該處產(chǎn)生高速氣流。垃圾在吸送過(guò)程中,先是利用高速氣流在吸口外對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng),使其由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始加速,并跟隨氣流進(jìn)入吸口內(nèi)部;然后氣流速度進(jìn)一步增加,直至大于垃圾塵粒本身的懸浮速度,使垃圾塵粒從地面彈起,從而進(jìn)入喉管,完成整個(gè)吸送過(guò)程。由以上的分析,根據(jù)吸口工況的典型性,可以將吸口對(duì)垃圾塵粒的吸送過(guò)程劃分為3個(gè)區(qū)域:

        (1)擾流區(qū)域(圖1中Ⅰ區(qū)域:吸口前后氣流入口以及貼附地面的區(qū)域)。為了使物料起動(dòng),從0到達(dá)穩(wěn)定速度,必須消耗一定的氣流能量。該區(qū)域內(nèi)氣流對(duì)垃圾塵粒進(jìn)行擾動(dòng),使其隨氣流移動(dòng)并進(jìn)入吸口內(nèi)部,壓損記為ΔP1

        式中 λ1為吸口擾動(dòng)區(qū)域的壓損系數(shù);v1為擾動(dòng)氣流的速度。

        (2)懸浮提升區(qū)域(圖1中Ⅱ區(qū)域)。在吸口內(nèi)部垃圾塵粒隨氣流離開(kāi)地面,壓損記為ΔP2

        2 吸口氣流速度特性分析

        2.1 垃圾塵粒的起動(dòng)

        在入口區(qū)域,垃圾塵粒被清掃車收集之前,先要在清掃區(qū)域內(nèi)利用高速氣流對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng)。當(dāng)氣流速度達(dá)到某一臨界值時(shí),垃圾塵粒便在切應(yīng)力的作用下克服塵粒與路面之間的摩擦阻力,開(kāi)始向前滾動(dòng)或滑動(dòng)。因此,將令垃圾塵粒由靜止開(kāi)始移動(dòng)、翻滾的最小風(fēng)速定義為該類型垃圾的起動(dòng)速度。只有當(dāng)氣流速度大于啟動(dòng)速度時(shí),垃圾塵粒才有可能移動(dòng),從而進(jìn)入清掃車吸口的收集區(qū)域。在清掃車的氣力收集系統(tǒng)中,起動(dòng)速度對(duì)作業(yè)效果起到至關(guān)重要的作用。

        對(duì)垃圾塵粒起動(dòng)速度的研究主要借助于單個(gè)物體顆粒在水平管道內(nèi)受到充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)氣流作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。假定顆粒被靜止放置在水平的管道內(nèi),且在水平方向上受力為0,當(dāng)受到來(lái)自固定方向上的穩(wěn)態(tài)氣流時(shí),顆粒開(kāi)始起動(dòng),則

        塵粒就會(huì)懸浮在氣流中,這樣便具備了負(fù)壓吸送的基本條件。當(dāng)氣流速度大于垃圾塵粒的懸浮速度時(shí),垃圾塵粒將隨氣流向上進(jìn)入垃圾箱,從而實(shí)現(xiàn)了吸送。因此,垃圾塵粒的懸浮速度是決定其能否被清掃車吸送的固有條件。球形顆粒懸浮速度的計(jì)算公式如下

        2.3 清掃車喉管風(fēng)速

        清掃車工作時(shí),喉管內(nèi)的高速氣流要負(fù)責(zé)對(duì)由吸口進(jìn)入的垃圾塵粒迅速加速到接近或等于系統(tǒng)的氣流速度,因此,清掃車喉管風(fēng)速的大小對(duì)保證清掃作業(yè)的高效率性起到非常重要的作用。同時(shí),喉管風(fēng)速及喉管截面積的大小還是清掃車進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型的重要依據(jù),即為了保證清掃車的清掃效果,使各垃圾種類均可以被可靠吸送,必須選擇較大的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和喉管風(fēng)速。但如果氣流速度選取過(guò)大,必然以較大的功率消耗為代價(jià),而且對(duì)除塵系統(tǒng)的性能要求也相應(yīng)提高。因此,通常情況下,清掃車喉管風(fēng)速應(yīng)控制在40m/s左右,即v3≈40m/s。

        3 基于Fluent軟件的清掃車吸口仿真

        為了對(duì)清掃車吸口的實(shí)際壓力損失進(jìn)行準(zhǔn)確有效的計(jì)算分析,本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)吸口氣路系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真[5-6]。

        3.1 建立物理模型

        圖2 吸口物理模型

        3.2 建立數(shù)學(xué)模型

        清掃車在工作過(guò)程中,為了達(dá)到輸送垃圾塵

        和壓強(qiáng)等數(shù)值,所以本次仿真采用Fluent軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型作為湍流計(jì)算模型。

        湍流動(dòng)能方程(κ方程)

        3.3 仿真初始化

        經(jīng)過(guò)計(jì)算,各入口和出口的湍流強(qiáng)度和水力直徑分別為:3.33%、262.56mm,3.99%、62.69mm,4.36%、174.21mm,3.99%、162.69mm,2.73%、200mm。

        3.4 仿真結(jié)果分析

        為了便于觀察吸口的內(nèi)部流場(chǎng),建立如圖3、圖4所示剖面。其中,圖3為吸口底面的貼地流速矢內(nèi)的吸口縱切面流速矢量圖。

        圖3 吸口底面的貼地流速矢量圖

        圖4 吸口縱切面的流速矢量圖

        分析可知:

        (1)從圖3、圖4中可以看到,吸口入口區(qū)域的貼地風(fēng)速可以達(dá)到22.1m/s,大于之前分析過(guò)的20mm水泥混凝土碎塊的啟動(dòng)速度,因此可以成功對(duì)大部分垃圾類型進(jìn)行擾動(dòng);在吸口內(nèi)部,不同區(qū)域的氣流速度差別較大,但存在風(fēng)速大于24.3m/s的高速氣流通道,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入吸口內(nèi)的垃圾塵粒的提升和懸浮;喉管處的氣流速度較大,平均流速達(dá)到44.8m/s,滿足對(duì)清掃車喉管風(fēng)速的一般要求。

        (2)該吸口采用“喇叭口”式形狀,在吸口貼地區(qū)和吸口內(nèi)部不存在明顯的渦旋死區(qū),含塵氣流在進(jìn)入到吸口后,主速度方向都是朝著喉管方向流動(dòng),這有利于降低攜帶垃圾氣流在吸口中的停留時(shí)間,提高清掃效率。

        (3)在吸口與外部的結(jié)合位置,氣流在負(fù)壓的作用下從外部進(jìn)入吸盤,不存在由于氣流外泄造成的二次污染。

        綜上所述,該吸口模型能夠滿足對(duì)絕大部分垃圾種類的可靠收集和輸送,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理。

        圖5 吸口內(nèi)部的壓力分布圖

        為了便于分析,根據(jù)吸口擾流區(qū)、懸浮提升區(qū)和喉管區(qū)的劃分范圍在吸口內(nèi)部選取3個(gè)特征截面用于計(jì)算,如圖5所示。其中,截面A-A的均值壓力為PA=-621Pa,均值流速為27.9m/s;截面B-B的均值壓力為PB=-993Pa,均值流速為28.2m/s;截面C-C的均值壓力為PC=-1929Pa,均值流速為44.8m/s。由此可以得到:

        (1)清掃車吸口擾流區(qū)域的壓力損失ΔP1=0-PA=621Pa,由公式(1)可以求得當(dāng)v1=27.9m/s時(shí),入口區(qū)域的壓損系數(shù)λ1=1.06。

        (2)吸口內(nèi)部懸浮提升區(qū)域的壓力損失ΔP2=PA-PB=370Pa,由公式(2)可以求得當(dāng)v2=28.2m/s時(shí),懸浮提升區(qū)域的壓損系數(shù)λ2=0.62。

        (3)喉管區(qū)域的壓力損失ΔP3=PB-PC=936Pa,由公式(3)可以求得當(dāng)v3=44.8m/s時(shí),懸浮提升區(qū)域的壓損系數(shù)λ3=0.62。

        (4)得到吸口處總壓力損失ΔP的計(jì)算模型如下

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文圍繞吸掃式清掃車吸口處的氣流速度和壓力損失進(jìn)行了相關(guān)研究,得出了以下結(jié)論:

        (1)通過(guò)將清掃車吸口劃分為3個(gè)功能區(qū)域,對(duì)影響吸口風(fēng)速和壓力的各個(gè)因素進(jìn)行了分析,計(jì)算得出為了保證吸口對(duì)各種垃圾類型的可靠吸送,吸口擾流區(qū)域的氣流速度應(yīng)大于19.2m/s,吸口內(nèi)懸浮提升區(qū)域的氣流速度應(yīng)大于24.5m/s,喉管風(fēng)速應(yīng)控制在40m/s左右。

        (2)提出了一種適用于吸掃式清掃車的吸口模型,并利用Fluent軟件進(jìn)行了流體力學(xué)仿真,通過(guò)不同功能區(qū)域的流場(chǎng)分析,驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,該吸口模型能夠滿足對(duì)絕大部分垃圾類型的可靠收集和輸送。

        (3)通過(guò)對(duì)清掃車吸口內(nèi)部3個(gè)特征截面的風(fēng)速和壓力分布進(jìn)行分析,得到了吸口壓損系數(shù)的取值,并建立了吸口處壓力損失的計(jì)算模型,為清掃車風(fēng)機(jī)和管路系統(tǒng)的參數(shù)選擇提供了理論參考。

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