張晨光，謝立揚

（長安大學 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

引風機是吸掃式清掃車的“心臟”。引風機造成的空氣流動使吸口處形成負壓，從而完成對垃圾的撿拾和吸送。引風機的選擇對清掃車的清掃效率起決定作用［1］。在清掃車的設(shè)計過程中，風機是根據(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算的重要環(huán)節(jié)，約占總壓損的30%［2-3］。吸口處的負壓不僅要負責完成對垃圾的可靠收集，而且還對吸口處的除塵起一定作用。吸口處的氣流速度越高，負壓也就越大，水流的霧化程度越好，對垃圾塵粒的捕獲、凝集作用越強，從而使除塵效果提高。但風機風量和風壓的提高，會使設(shè)備能耗增加，噪聲增大［4］。

長期以來，對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算方法，更多的是依靠經(jīng)驗計算。因此，本文主要通過對吸口處的速度特性和壓力分布進行分析，建立起吸口壓力損失的計算模型，并利用Fluent流體力學軟件進行仿真，為風機和管路系統(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)過程中，利用高壓風機在吸口與地面的間隙中產(chǎn)生強大的負壓，從而形成較大的氣流加速度。垃圾塵粒在高速氣流的擾動下，其速度幾乎從靜止狀態(tài)迅速加速到接近或等于氣流速度。在這一過程中，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)、吸口管段長等參數(shù)有關(guān)。在清掃車作業(yè)過程中，吸口的工作過程可以看作是一種氣固兩相流的稀相輸送過程。其中，對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，且運動速度相當（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。對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料性和物料性質(zhì)的不確定性，很難按統(tǒng)一的形式計算。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

清掃車在工作過程中，吸口與地面之間始終會保持10mm左右的空隙，利用風機的引風作用在該處產(chǎn)生高速氣流。垃圾在吸送過程中，先是利用高速氣流在吸口外對其進行擾動，使其由靜止狀態(tài)開始加速，并跟隨氣流進入吸口內(nèi)部；然后氣流速度進一步增加，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，從而進入喉管，完成整個吸送過程。由以上的分析，根據(jù)吸口工況的典型性，可以將吸口對垃圾塵粒的吸送過程劃分為3個區(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，從0到達穩(wěn)定速度，必須消耗一定的氣流能量。該區(qū)域內(nèi)氣流對垃圾塵粒進行擾動，使其隨氣流移動并進入吸口內(nèi)部，壓損記為ΔP1

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

（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

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)利用高速氣流對其進行擾動。當氣流速度達到某一臨界值時，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，開始向前滾動或滑動。因此，將令垃圾塵粒由靜止開始移動、翻滾的最小風速定義為該類型垃圾的起動速度。只有當氣流速度大于啟動速度時，垃圾塵粒才有可能移動，從而進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，起動速度對作業(yè)效果起到至關(guān)重要的作用。

對垃圾塵粒起動速度的研究主要借助于單個物體顆粒在水平管道內(nèi)受到充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)氣流作用時的運動學原理。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，當受到來自固定方向上的穩(wěn)態(tài)氣流時，顆粒開始起動，則

塵粒就會懸浮在氣流中，這樣便具備了負壓吸送的基本條件。當氣流速度大于垃圾塵粒的懸浮速度時，垃圾塵粒將隨氣流向上進入垃圾箱，從而實現(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算公式如下

2.3 清掃車喉管風速

清掃車工作時，喉管內(nèi)的高速氣流要負責對由吸口進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，清掃車喉管風速的大小對保證清掃作業(yè)的高效率性起到非常重要的作用。同時，喉管風速及喉管截面積的大小還是清掃車進行風量計算、風機選型的重要依據(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，必須選擇較大的風機風量和喉管風速。但如果氣流速度選取過大，必然以較大的功率消耗為代價，而且對除塵系統(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

為了對清掃車吸口的實際壓力損失進行準確有效的計算分析，本文應(yīng)用計算流體力學軟件Fluent對吸口氣路系統(tǒng)的流場進行了仿真［5-6］。

3.1 建立物理模型

圖2 吸口物理模型

3.2 建立數(shù)學模型

清掃車在工作過程中，為了達到輸送垃圾塵

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

湍流動能方程（κ方程）

3.3 仿真初始化

經(jīng)過計算，各入口和出口的湍流強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，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)域的貼地風速可以達到22.1m/s，大于之前分析過的20mm水泥混凝土碎塊的啟動速度，因此可以成功對大部分垃圾類型進行擾動；在吸口內(nèi)部，不同區(qū)域的氣流速度差別較大，但存在風速大于24.3m/s的高速氣流通道，可以實現(xiàn)對進入吸口內(nèi)的垃圾塵粒的提升和懸??；喉管處的氣流速度較大，平均流速達到44.8m/s，滿足對清掃車喉管風速的一般要求。

（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)，含塵氣流在進入到吸口后，主速度方向都是朝著喉管方向流動，這有利于降低攜帶垃圾氣流在吸口中的停留時間，提高清掃效率。

（3）在吸口與外部的結(jié)合位置，氣流在負壓的作用下從外部進入吸盤，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絕大部分垃圾種類的可靠收集和輸送，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。

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個特征截面用于計算，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v1=27.9m/s時，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v2=28.2m/s時，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v3=44.8m/s時，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的計算模型如下

4 結(jié)束語

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

（1）通過將清掃車吸口劃分為3個功能區(qū)域，對影響吸口風速和壓力的各個因素進行了分析，計算得出為了保證吸口對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軟件進行了流體力學仿真，通過不同功能區(qū)域的流場分析，驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，該吸口模型能夠滿足對絕大部分垃圾類型的可靠收集和輸送。

（3）通過對清掃車吸口內(nèi)部3個特征截面的風速和壓力分布進行分析，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算模型，為清掃車風機和管路系統(tǒng)的參數(shù)選擇提供了理論參考。