李 亮 劉炳瑞 張潤輝

?(浙江大學(xué)航空航天學(xué)院流體所，流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027)

?(廣東盈峰智能環(huán)衛(wèi)科技有限公司，廣東佛山 528322)

掃路機(jī)是一種具有專業(yè)底盤和動力驅(qū)動裝置，用于清掃、收集地(路) 面垃圾的機(jī)械設(shè)備，掃路機(jī)按除塵方式分為干式除塵掃路機(jī)和濕式除塵掃路機(jī)；按作業(yè)方式可分為純掃式掃路機(jī)、純吸式掃路機(jī)[1]。

干式掃路機(jī)作業(yè)原理為：垃圾在風(fēng)機(jī)負(fù)壓的抽吸作用下，經(jīng)過吸嘴、吸管、以及風(fēng)機(jī)的破碎后進(jìn)入垃圾桶，其中垃圾在垃圾桶中沉降，而帶塵空氣則經(jīng)過除塵系統(tǒng)過濾后排出，若配置反吹循環(huán)氣路則部分帶塵空氣經(jīng)過反吹管進(jìn)入吸嘴內(nèi)進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，其作業(yè)原理如圖1 所示。

濕式掃路機(jī)作業(yè)原理為：濕式掃路機(jī)作業(yè)行駛時，首先，清掃機(jī)構(gòu)掃盤旋轉(zhuǎn)，將垃圾收集至吸嘴前方，垃圾在風(fēng)機(jī)負(fù)壓的抽吸作用下，通過吸管抽吸到垃圾箱內(nèi)(同時，吸管內(nèi)噴嘴噴射水霧，對進(jìn)入吸管內(nèi)的含塵氣流進(jìn)行噴霧抑塵，粉塵在濕潤氣流中團(tuán)聚、粘連，然后沉降到垃圾箱中)，垃圾由吸管到垃圾箱的過程中，垃圾箱內(nèi)流場速度急劇降低，垃圾沉降到垃圾箱內(nèi)，完成清掃作業(yè)，氣流通過風(fēng)機(jī)排出到大氣。

由于掃路機(jī)主要應(yīng)用于背街小巷、街巷胡同、社區(qū)、公園景區(qū)等居民生活附近的區(qū)域，所以對其節(jié)能環(huán)保要求較高，如能耗、噪音等。目前，掃路機(jī)存在的主要問題，一是作業(yè)能耗高，考慮到排放要求，掃路機(jī)采用純電動驅(qū)動，由于現(xiàn)有氣力系統(tǒng)能耗過高，導(dǎo)致整機(jī)續(xù)航作業(yè)時間短，難以滿足日常作業(yè)需求；二是氣力除塵系統(tǒng)效率低；干式除塵為了保證良好的降塵效果，采用濾筒或濾布過濾除塵，作業(yè)時間久了除塵效果變差。

以上掃路機(jī)的兩個問題可以通過科學(xué)設(shè)置吸入口與地面距離、吸入速度等進(jìn)行解決，從而在能耗一定情況下提高垃圾吸收效率。針對以上情況，本文主要研究純吸式干式掃路機(jī)的氣力輸送，擬建立物理模型，采用計算流體力學(xué)與離散單元方法對圓柱狀顆粒在風(fēng)機(jī)負(fù)壓的作用下的運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值模擬，分別分析吸入圓管入口離地面距離、顆粒密度、顆粒長徑比、進(jìn)口速度與吸入顆粒數(shù)目的關(guān)系，以期在一定功率下最大化實現(xiàn)顆粒的吸入。

1 數(shù)值計算

本工作采用計算流體力學(xué)與離散單元方法對流場及其顆粒的運(yùn)動進(jìn)行模擬。該方法是一種典型的歐拉-拉格朗日方法，它采用連續(xù)介質(zhì)理論描述流體，并單獨追蹤每一個顆粒的運(yùn)動狀態(tài)。同時，該方法還考慮了顆粒與流體之間的相互作用，該方法被廣泛應(yīng)用于流化床、氣力輸送等具有大量顆粒的兩相流系統(tǒng)模擬中[2-4]。

1.1 流體相控制方程

流體相控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程，以下方程包含了顆粒在空間中占據(jù)的體積效應(yīng)及兩相間的動量交換作用[5-6]

式中εg，ρg，ug，p，τg分別為流體的孔隙率、密度、速度、壓力和應(yīng)力項，Sp為顆粒與流體之間的動量交換項。方程采用有限體積法求解。

1.2 顆粒相控制方程

柱狀顆粒采用多球模型[7]描述，即由若干個在同一軸線上相互重疊的子球共同組成一個類柱狀顆粒，在柱顆粒運(yùn)動過程中，子球之間保持剛性連接，而柱顆粒之間的碰撞可以通過子球之間的赫茲碰撞定律[8]的軟球模型[9]求解。

單個柱狀顆粒在求解過程中被視為整體，其運(yùn)動方程為[10]

式中，mi，vi，Ii，ωi分別為第i個顆粒的質(zhì)量、速度、慣量張量及角速度，F(xiàn)i和Mi則為其受到的外力及外力矩，體現(xiàn)了重力、氣動力(轉(zhuǎn)矩)、碰撞力(力矩) 等作用。

1.3 計算設(shè)置

如圖1 所示，構(gòu)建簡化物理模型，模擬三維圓柱形顆粒在圓管中的運(yùn)動。設(shè)置管徑為30 cm，高度為150 cm?？紤]到掃路機(jī)的真實工作情況，模擬流體為密度1.2 kg/m3的空氣，選取模擬的顆粒密度分別取800 kg/m3和1500 kg/m3，圓柱顆粒高度為2 cm，直徑為5 mm；顆粒數(shù)目為200；進(jìn)口與地面的距離為l，初始設(shè)置為4 cm。

圖1 計算域及顆粒初始分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of computational domain and initial particle distribution

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 圓管入口離地面距離l 對吸入顆粒數(shù)目N 的影響

吸式掃地機(jī)吸入口距離地面有一定距離，吸入口距離影響吸入顆粒效率。在本部分中選取4 個吸入口距離(l=0.02 m，0.04 m，0.06 m，0.08 m)，保持其他物理量不變(管徑Φ=0.3 m，高度h=1.5 cm。吸入速度Vin=8 m/s，流體密度ρf=1.2 kg/m3，顆粒密度ρp=800 kg/m3，1500 kg/m3，圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp= 5 mm；顆粒數(shù)目Nt= 200)，研究圓管入口離地面距離對吸入顆粒數(shù)目N的影響。

結(jié)果如圖2 所示，對于吸入口距離l為0.02 m時，不同吸入速度下顆粒的吸入效率相近，吸入速度的不同對顆粒的吸入效率影響較小；當(dāng)吸入口距離增大后，吸入效率降低，尤其對于大密度顆粒，吸入效率降低幅度增大。

圖2 不同吸入口距離下顆粒的吸入效率Fig.2 Suction efficiency of particles at different distances between the suction inlet and the floor

2.2 顆粒密度ρp 對吸入顆粒數(shù)目N 的影響

吸式掃路機(jī)在實際工作中，需要對不同密度的垃圾進(jìn)行清理，因此對不同密度顆粒進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究在一定吸入速度下不同密度顆粒的吸入效率。選取5 種顆粒密度(ρp=600 kg/m3, 800 kg/m3,1000 kg/m3, 1200 kg/m3, 1500 kg/m3)，進(jìn)口吸入速度分別取Vin= 8 m/s 和10 m/s，保持其他物理量不變(管徑Φ= 30 cm，高度h= 150 cm。流體密度ρf= 1.2 kg/m3, 圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp= 5 mm；顆粒數(shù)目Nt= 200)，研究顆粒密度對吸入顆粒數(shù)目N的影響。結(jié)果如圖3 所示，對于高吸入速度(10 m/s) 下，不同密度的顆粒吸入效率較為接近，吸入效率變化不大；而對于在低吸入速度(8 m/s) 下，隨著密度增大，吸入效率顯著降低。

圖3 不同吸入顆粒密度下顆粒的吸入效率Fig.3 Suction efficiency of particles at different particle densities

2.3 進(jìn)口速度Vin 對吸入顆粒數(shù)目N 的影響

掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的吸入效率直接取決于氣流的吸入速度。如果吸入速度太小，則系統(tǒng)無法順利地將路面垃圾吸入，清掃效果較差。如果吸入速度太大，則對掃路機(jī)的性能要求較高，功耗提高，同時吸入垃圾的高速運(yùn)動也會加劇氣力輸送系統(tǒng)部件的磨損。因此，確定合適的吸入速度，在吸入效率與能耗功率保持平衡顯得尤為重要。以下對不同吸入速度進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在相同物理量下不同吸入速度的吸入效率。選取5 種吸入速度(Vin=6 m/s，8 m/s，10 m/s，12 m/s 和14 m/s)，顆粒密度分別取ρp=800 kg/m3, 1500 kg/m3，保持其他物理量不變(管徑Φ=30 cm，高度h=150 cm。流體密度ρf= 1.2 kg/m3, 圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp=5 mm；顆粒數(shù)目Nt=200)，研究吸入速度對吸入顆粒數(shù)目N的影響。

結(jié)果如圖4 所示，對于小密度顆粒，當(dāng)吸入速度高于8 m/s 時，不同吸入速度間吸入效率增長較??；然而對于大密度顆粒，不同吸入速度下顆粒的吸入效率差別較大，吸入速度對于吸入效率影響較大。

圖4 不同吸入速度下顆粒的吸入效率Fig.4 Suction efficiency of particles at different suction velocities

2.4 顆粒長徑比λ 對吸入顆粒數(shù)目N 的影響

為進(jìn)一步模擬不同形狀垃圾的吸入效率，對不同長徑比顆粒在一定吸入速度下的吸入效率進(jìn)行研究。選取5 種長徑比顆粒(λ=4，6，8，10，15)，顆粒密度分別取ρp=800 kg/m3，1500 kg/m3，保持其他物理量不變(管徑Φ=30 cm，高度h=150 cm。流體密度ρf=1.2 kg/m3，圓柱顆粒體積保持不變，直徑Φp= 5 mm；顆粒數(shù)目Nt= 200)，研究顆粒長徑比對吸入顆粒數(shù)目N的影響。結(jié)果如圖5 所示，相比于密度對于吸入效率的影響，顆粒長徑比對于吸入效率的影響較小，由圖可見，顆粒長徑比對于吸入效率的影響較小。

圖5 不同長徑比的顆粒的吸入效率Fig.5 Suction efficiency of particles at different aspect ratios

2.5 顆粒所處地面范圍r 對吸入顆粒數(shù)目N 的影響

對處于地面不同半徑范圍內(nèi)顆粒的吸入效率進(jìn)行研究，半徑取0.05 m，0.1 m，0.15 m，0.2 m，顆粒密度取ρp=800 kg/m3，1500 kg/m3，保持其他物理量不變(管徑Φ=30 cm，高度h=150 cm。流體密度ρf= 1.2 kg/m3，圓柱顆粒高度hp= 2 cm，直徑Φp=5 mm；顆粒數(shù)目Nt=200)。結(jié)果如圖6 所示，當(dāng)顆粒所處的半徑r小于吸入管徑R時，隨著半徑r的增大，吸入效率逐漸增大；當(dāng)所處半徑r大于吸入管徑R時，吸入效率減小。由圖7 可見，在鄰近吸入口中心軸線的地面，流場速度較小，因此靠近中心軸線的區(qū)域顆粒的吸入效率較小，而越鄰近吸入管道半徑的位置，流場速度較大，因此相應(yīng)位置的顆粒吸入效率較高。

圖6 不同半徑圓周上顆粒的吸入效率Fig.6 Suction efficiency of particles on circumference with different radii

圖7 流場速度云圖Fig.7 Velocity contour of the flow

3 結(jié)論

本文主要探究純吸式干式掃路機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的吸塵效率。應(yīng)用計算流體力學(xué)--離散單元法對流場及其流場中的圓柱狀顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究顆粒密度、顆粒長徑比、氣體吸入速度以及顆粒初始位置對于顆粒吸入效率的影響。結(jié)果表明：吸入口與顆粒所處平面的距離越大，顆粒的吸入效率越低，尤其是對于高密度顆粒影響更大。顆粒密度對吸入效率的影響為負(fù)相關(guān)，即顆粒密度越大，吸入效率越低，此時可以通過增大吸入速度進(jìn)行吸入效率的提高。顆粒長徑比對吸入效率的影響較小。吸入速度與顆粒的吸入效率為正相關(guān)，吸入速度越大，吸入效率則越大。對于小密度顆粒，應(yīng)做好吸入效率與經(jīng)濟(jì)性的平衡，即吸入速度對于吸入效率的影響是邊際遞減，當(dāng)吸入速度增大至一定值時，顆粒的吸入效率變化很小。同時，顆粒所處位置也會影響顆粒吸入效率，結(jié)果表明，顆粒所處位置距離吸入口圓周距離越小，顆粒的吸入效率越高。