郗 元，劉萬渤，張西龍，代 巖

（1.大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧省化學(xué)助劑合成與分離省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 盤錦 124221；2. 山東華夏神舟新材料有限公司，山東東岳集團(tuán)含氟功能膜材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 淄博 255000；3.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

1 引言

掃路車屬于城市道路環(huán)保除塵裝備，現(xiàn)常見于城市街道，其清掃性能的關(guān)鍵在于底端吸塵裝置的工作效率[1]。文獻(xiàn)[2]借助數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了吸塵裝置作業(yè)時(shí)內(nèi)部流動特性的可視化。文獻(xiàn)[3]從能量利用角度出發(fā)，提出內(nèi)部隔板改為導(dǎo)流板可提高能量利用率。文獻(xiàn)[4]根據(jù)龍卷風(fēng)原理設(shè)計(jì)出新型吸塵裝置，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)效吸塵效果。文獻(xiàn)[5-6]結(jié)合吸塵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)特征，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了參數(shù)最佳選配方案。

除塵裝備作業(yè)時(shí)，顆粒流體對吸塵裝置壁面沖蝕磨損，導(dǎo)致鋼板變形失效，降低其清掃效率和使用壽命。但大部分研究者均沒有對吸塵裝置沖蝕磨損特性展開研究。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法，探究道路除塵裝備吸塵裝置作業(yè)時(shí)受顆粒物沖蝕磨損特性，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)間影響關(guān)系，提出新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合虛擬樣機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的沖蝕磨損率及其可靠性。

2 計(jì)算模型與數(shù)值求解

2.1 物理模型

吸塵裝置長為2000mm，寬為400mm，厚度為190mm，作業(yè)時(shí)離地高度為10mm。回吹風(fēng)腔近似為長方體，長2000mm，寬400mm，高70mm。主要功能是改變反吹高速氣體流向，形成一定負(fù)壓強(qiáng)化吸塵腔吸塵能力。吸塵風(fēng)腔參數(shù)形狀與回吹風(fēng)腔相似，含塵氣體在腔內(nèi)高速移動，在反吹氣體的吹掃下，顆粒迅速向吸塵口聚攏。吸塵裝置反吹口、吸塵口直徑均為220mm，反吹口和吸塵口分別與裝置頂板成90°和100°夾角。

圖1 氣動循環(huán)式吸塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometry Model

2.2 網(wǎng)格模型

為保證網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確度，最大網(wǎng)格設(shè)置為0.02。其中，內(nèi)部氣流隔板處和外部腔體為重點(diǎn)觀察部位，此處網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為0.01，且其周圍加設(shè)邊界層網(wǎng)格。

當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較小時(shí)，最大沖蝕磨損率變化幅度很大，說明此時(shí)網(wǎng)格劃分質(zhì)量不高，對計(jì)算結(jié)構(gòu)影響較大，如圖2（a）所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于105 萬時(shí)，沖蝕磨損率趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)網(wǎng)格完全滿足計(jì)算需要，誤差在可接受范圍內(nèi)，因此選用該網(wǎng)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)?，網(wǎng)格模型，如圖2（b）所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性分析及網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh Quantitative Analysis and Model

2.3 邊界條件及模型選取驗(yàn)證

選用有限體積法進(jìn)行離散處理，k-ε 標(biāo)準(zhǔn)湍流模型、SIMPLE算法及二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行計(jì)算求解[6、8]。吸塵口為壓力出口（-3000Pa），反吹口為速度入口（4000m3/h），裝置底部壁面為無滑移壁面，其余壁面均設(shè)置為移動壁面（11km/h），以用來模擬行駛作業(yè)[9]。在監(jiān)測連續(xù)性方程和動量方程時(shí)，設(shè)置各監(jiān)視器收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)下限均為10-4。由于顆粒物入射時(shí)的沖擊角和沖擊速度是影響沖蝕磨損率的最重要因素，且Generic 算法的理論基礎(chǔ)是Tabakoff 鍛造成片理論[10]，因此初步選取Generic 算法來分析沖蝕磨損。

為驗(yàn)證模型選擇的可靠性及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合粒徑為300μm 的顆粒，進(jìn)行相同速度場下最大沖蝕量與時(shí)間關(guān)系驗(yàn)證，如圖3 所示。彎管處最大沖蝕量隨著時(shí)間的增加而逐步增大，且選用的模型及算法計(jì)算結(jié)果在Nielson 和Zhang 的結(jié)果之間[11]，呈現(xiàn)出相同的沖蝕趨勢，說明模型選擇合理，滿足計(jì)算要求。

圖3 最大沖蝕量與時(shí)間關(guān)系模型驗(yàn)證對比Fig.3 Model Validation by Maximum Wear Versus Time

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)隔板沖蝕磨損

沖蝕磨損計(jì)算結(jié)果，如圖4 所示。吸塵口附近及左側(cè)前側(cè)外壁面處出現(xiàn)了嚴(yán)重的沖蝕磨損，其最大值為3.05×10-8kg/m2·s，平均沖蝕磨損率為4.27×10-9kg/m2·s。這是由于氣流在此處形成了高速渦流，部分顆粒物高速轟擊壁面，在對壁面產(chǎn)生切向切削效果，同時(shí)還在小范圍內(nèi)提高了部分壁面溫度，導(dǎo)致了其發(fā)生彈塑性形變。

圖4 沖蝕磨損計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation Results of Erosion Wear

吸塵裝置內(nèi)隔板位處反吹和吸塵之間，內(nèi)隔板上表面的沖蝕磨損程度較小，如圖5（a）所示。僅在吸塵口附近壁面、反吹口正下方及階梯形流道側(cè)方有比較明顯的侵蝕痕跡。主要原因是內(nèi)隔板上層氣體比較潔凈，顆粒物含量較少，對整個(gè)隔板沖蝕磨損較低。沿平行于進(jìn)氣口Z=-0.1，0，0.1 三個(gè)位置截取內(nèi)隔板所在位置的沖蝕磨損率信息并加以對比（圖5b）：內(nèi)隔板沖蝕磨損率比吸塵管略低，Z=-0.1 截面磨損率最大值僅為1.32×10-8kg/m2·s。在（-1～-0.4）m 區(qū)間三條曲線均有明顯的極大值且位于-0.75m 附近，也在此驗(yàn)證了吸塵口附近存在著很大的磨損隱患。隨著X 坐標(biāo)不斷增大，沖蝕磨損曲線呈不斷下降趨勢，在0.75m 處有一個(gè)小峰值與反吹口高速噴射而出的反吹氣體有關(guān)。內(nèi)隔板沖蝕磨損的特點(diǎn)在于磨損率極大值并不是很大，但全板沖蝕磨損程度比較均勻，磨損位置較分散。

圖5 內(nèi)隔板不同區(qū)域沖蝕磨損率對比圖Fig.5 Erosion Wear Rates of Internal Partition

3.2 管路沖蝕磨損

由圖6 可知，吸塵管是另一個(gè)沖蝕磨損嚴(yán)重的區(qū)域，其最大沖蝕磨損率為2.54×10-8kg/m2·s，管內(nèi)11.7%的內(nèi)表面積沖蝕磨損率大于1×10-8kg/m2·s，57.2%的內(nèi)表面積沖蝕磨損率大于1×10-9kg/m2·s。考慮到吸塵管僅為波紋管，長時(shí)間工作極易發(fā)生磨損脫落或腐蝕泄露。此外，吸塵管由于直接接觸高速流體，流體中裹挾的水分會依附在管內(nèi)壁上，一旦管壁外表防腐蝕涂層被破壞，水分會加速腐蝕進(jìn)程，對其造成二次傷害。

圖6 吸塵管沖蝕磨損與靜壓計(jì)算結(jié)果圖Fig.6 Erosion Wear and Static Pressure

凸顯了進(jìn)出氣口沖蝕磨損率較大的客觀事實(shí)，如圖7 所示。吸塵口、反吹口作為吸塵裝置重要的流體運(yùn)動通道，工作時(shí)不僅流經(jīng)大量的高速氣體，而且由于管路壁面較薄，在沖蝕磨損嚴(yán)重的區(qū)域可能會破裂影響輸送質(zhì)量，降低系統(tǒng)的密封性和工作效率。

圖7 吸塵口與反吹口速度云圖Fig.7 Velocity of Outlet and Inlet Pipeline

反吹口風(fēng)量大約為吸塵口的75%左右[12]，根據(jù)Finnie 微切削理論最新成果，流體速度與沖蝕磨損率保持著平方倍關(guān)系，況且在離心除塵器除塵效率大于95%的情況下吸塵口顆粒物濃度是反吹口的30 倍以上，吸塵口壁面磨損率、磨損面積遠(yuǎn)大于反吹口也就不足為奇，而反吹口僅在反吹氣體直吹的內(nèi)隔板附近有少許沖蝕。除塵管最大沖蝕磨損率為3.27×10-8kg/m2·s，相比較下反吹管最大沖蝕磨損率僅為2.46×10-9kg/m2·s，如圖8 所示。

圖8 沖蝕磨損結(jié)果圖Fig.8 Results of Erosion Wear

3.3 前后板的沖蝕磨損

盡管嚴(yán)重的沖蝕磨損都發(fā)生在兩板左側(cè)區(qū)域，如圖9 所示。但明顯看出后板沖蝕磨損率和沖蝕磨損影響面積均遠(yuǎn)大于前板。這可能是因?yàn)榉创悼诰哂幸欢ǖ暮髢A角度以便于充分吸收來自主進(jìn)氣口（來自車輛前方）的顆粒物，當(dāng)氣流渦流旋轉(zhuǎn)至吸塵裝置后部時(shí)不能被及時(shí)吸走，久而久之加重了后板的抗沖蝕負(fù)擔(dān)。此外來自左側(cè)和后側(cè)副進(jìn)氣口氣體對渦流的旋轉(zhuǎn)能量有推波助瀾的作用，吸塵裝置后方附近流體的平均湍流強(qiáng)度和平均湍動能均比前方高出兩倍以上。

圖9 吸塵裝置前后板沖蝕磨損結(jié)果圖Fig.9 Erosion Wear of Front and Rear Panels

3.4 沖蝕磨損算法對比

三種沖蝕磨損計(jì)算算法：Finnie、McLaury 和Oka。三者的基本原理大致相同，但各自應(yīng)用不同的計(jì)算公式、對不同的影響沖蝕磨損條件應(yīng)用不同比例的權(quán)重。取這三種算法計(jì)算沿X 軸水平方向吸塵裝置壁面的沖蝕磨損率，如圖10 所示。

圖10 三種沖蝕磨損算法計(jì)算對比圖Fig.10 Three Erosion Wear Algorithms

McLaury 和Oka 沖蝕率運(yùn)算結(jié)果相近，F(xiàn)innie 在沖蝕嚴(yán)重的左半?yún)^(qū)間計(jì)算值較小，而Finnie 算法是上述三種附加算法中波動最小、計(jì)算結(jié)果相對最準(zhǔn)確的，與事實(shí)工況比較吻合，結(jié)果精確程度僅次于Generic 算法，說明Tabakoff 鍛造成片理論和Finnie 微切削理論對影響沖蝕因素考慮全面、加權(quán)合理，善于處理氣固兩相流低速流動問題。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在流速較低、沖擊角較小的領(lǐng)域不同算法運(yùn)算結(jié)果十分相似，證明了四種沖蝕磨損算法在流量較大時(shí)各有千秋、流量較小時(shí)彼此互通的特點(diǎn)[13]，把四種算法有機(jī)結(jié)合分析，才能比較全面的了解真實(shí)的磨損情況，進(jìn)而提高計(jì)算機(jī)流體仿真的準(zhǔn)確度和可信度。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在吸塵口吸塵管附近存在著嚴(yán)重的沖蝕磨損。由于流體流動時(shí)突然變徑會造成很大能流動能量損失，大量顆粒物能量轟擊壁面造成極大的沖蝕磨損破壞力。通過改變吸塵管的斜度，如圖11 所示。使其變成一個(gè)圓臺型漏斗狀緩沖管，重新建模研究結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)抗沖蝕性能提高程度。

圖11 吸塵管改進(jìn)前后對比圖Fig.11 Comparison Before and After Improvement

將吸塵管下徑調(diào)整變大，使吸塵口吸入氣體時(shí)流線更加順滑，不會出現(xiàn)很大的水力半徑變化造成過大的湍動和渦流，同時(shí)增大后的管內(nèi)口徑可以將腔后流體一并吸走，在一定程度上降低了吸塵裝置后壁、內(nèi)隔板及吸塵管的沖蝕磨損率。吸塵管改進(jìn)前后在X=0.75 截面上沿Z 軸方向沖蝕磨損率，如圖12 所示。

圖12 吸塵管變徑前后沖蝕磨損對比圖Fig.12 Contrast Before and After Erosion Wear

由上圖可知，隨著吸塵管下徑的不斷增大，其抗沖蝕磨損能力也在不斷提高，尤其是最大沖蝕磨損率變徑前為2.54×10-8kg/m2·s，變徑后下降為2.18×10-8kg/m2·s，此項(xiàng)同比下降14.2%，沖蝕磨損率下降27.6%。R=0.13 時(shí)平均沖蝕磨損率是R=0.11 的88.5%，這可以證明變徑在減小沖蝕磨損率方面功效顯著。同時(shí)吸塵管變徑后吸塵裝置左側(cè)形成的渦流速度、湍流強(qiáng)度、湍動能也有不同程度的下降，種種事實(shí)證明了變徑操作的可行性[14]。

5 結(jié)論

氣動循環(huán)式吸塵裝置左側(cè)壁面最大沖蝕磨損率達(dá)3.05×10-8kg/m2·s；前側(cè)壁面最大沖蝕磨損率達(dá)1.42×10-8kg/m2·s；吸塵管壁面11.7%的內(nèi)表面積沖蝕磨損率＞1×10-8kg/m2·s，57.2%的內(nèi)表面積沖蝕磨損率＞1×10-9kg/m2·s；內(nèi)隔板上沖蝕磨損率最大值為1.32×10-8kg/m2·s。氣固兩相流沖蝕率計(jì)算中，Genenic 算法計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確性更高，與現(xiàn)實(shí)情況擬合較好。而Finnie 算法算得沖蝕率最大值和平均值結(jié)果較小，McLaury 和Oka 算法計(jì)算沖蝕率時(shí)波動幅度較大。針對沖蝕磨損最嚴(yán)重的吸塵管，提出增加其上下徑比的更改方案。改進(jìn)模型管內(nèi)最大沖蝕率下降到2.18×10-8kg/m2·s，同比下降14.2%，平均沖蝕磨損率下降27.6%，提高了抗沖蝕效果。