反吹式吸嘴離地間隙數(shù)值模擬研究

郗元，肖濤，成凱，趙士祥

（1.大連理工大學(xué) 盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124221；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.一汽解放汽車有限公司，長(zhǎng)春 130011；4.吉林紫金銅業(yè)有限公司，吉林 琿春 133300）

0 引言

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大氣污染問題也日趨嚴(yán)重[1-3]。掃路車作為道路清掃環(huán)保設(shè)備在提高作業(yè)效率的同時(shí)大大降低了人工成本，而吸嘴作為掃路車吸塵系統(tǒng)的核心部件，其工作性能舉足輕重[4-6]。本文利用CFD方法對(duì)吸嘴工作時(shí)的離地間隙展開分析，探究最佳離地間隙，提高道路清掃車的除塵性能。

圖1 反吹式吸嘴示意圖

1 物理模型

圖1為反吹式吸嘴結(jié)構(gòu)示意圖，主要由吸塵口、反吹口、吊耳和支撐輪組成。

2 數(shù)學(xué)模型

1）連續(xù)性方程：

式中:ρ為流體密度；ν為流體速度。

2）動(dòng)量方程：

其中校正壓力

式中:k為湍流動(dòng)能；ε為動(dòng)能耗散系數(shù)。

3 結(jié)果及分析

3.1 離地間隙影響分析

吸嘴工作時(shí)的離地間隙是通過橡膠支撐輪來(lái)保證，離地間隙的大小則直接影響垃圾進(jìn)入風(fēng)道的效果，即影響掃路車的清掃效果。仿真中設(shè)定車速為5 km/h，離地間隙δ分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，根據(jù)塵粒啟動(dòng)理論對(duì)近地面的速度場(chǎng)進(jìn)行評(píng)定分析。為了從數(shù)值上更為直觀地分析吸嘴設(shè)計(jì)的合理性，在近地面平面上取27個(gè)

圖2 檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖

檢測(cè)點(diǎn)[7-9]，如圖2所示。

離地間隙與測(cè)點(diǎn)速度變化規(guī)律曲線如圖3所示，其中（a）、（b）、（c）分別為Y=45、Y=230、Y=405上測(cè)點(diǎn)的速度大小。

由圖3（a）與圖3（c）可知，不同離地間隙下測(cè)點(diǎn)速度隨著X坐標(biāo)的變化趨勢(shì)較一致。隨著X坐標(biāo)值的增大，以X=1150 mm為界，不同離地間隙測(cè)點(diǎn)速度均先增大后減小，相同測(cè)點(diǎn)處速度值隨著離地間隙的減小而增大。這是因?yàn)槲鼔m口在吸嘴行駛方向的右側(cè)，吸塵口附近處吸塵功率及真空度均較大，從而使得近吸塵口處速度增大。在X=1300 mm（即測(cè)點(diǎn)1及測(cè)點(diǎn)19）處速度減小，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1接近右側(cè)及后側(cè)進(jìn)氣面，真空度小，所以速度低。相同測(cè)點(diǎn)不同離地間隙下，離地間隙越小，吸嘴密閉性好且真空度大，因此吸塵效率較高，測(cè)點(diǎn)流速值較大。從圖3（b）可知，隨著X坐標(biāo)值的增大，測(cè)點(diǎn)速度呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，不同離地間隙下均在X=250 mm（即測(cè)點(diǎn)17）處出現(xiàn)駐點(diǎn)。對(duì)比不同離地間隙的近地面矢量圖發(fā)現(xiàn)，以圖4 δ=10 mm為例，檢測(cè)點(diǎn)17處于“λ”型低速區(qū)域；從圖4中不難看出，反吹式吸嘴在工作時(shí)，氣流均由外向內(nèi)流入，實(shí)現(xiàn)了無(wú)二次揚(yáng)塵。根據(jù)砂礫啟動(dòng)速度[10-12]，離地間隙δ不大于10 mm較合適。

3.2 吸塵效率研究

圖3 離地間隙與測(cè)點(diǎn)速度變化規(guī)律曲線

圖4 δ=10 mm近地面矢量圖

圖5 總除塵效率與車速和離地間隙的變化趨勢(shì)

除塵效率是衡量吸塵口吸塵性能的重要指標(biāo)[13-15]，圖5為總除塵效率與車速和離地間隙的變化趨勢(shì)。相同車速下，離地間隙越大，則總除塵效率越低；相同離地間隙下，隨著車速的不斷提高，總除塵效率下降，當(dāng)車速增大到一定程度時(shí)，總除塵效率以較快的速度開始下降。

車速相同情況下，離地間隙越大則密閉性較差，真空度下降，吸塵功率減小，致使氣流速度減小，根據(jù)塵粒啟動(dòng)原理，速度的降低導(dǎo)致部分顆粒無(wú)法正常啟動(dòng)，所以相同車速下，離地間隙大吸入顆粒少，除塵效率低。

離地間隙相同情況下，以δ=10 mm為例，當(dāng)車速分別為5 km/h和15 km/h時(shí)，Y=1170 mm截面處?kù)o壓力分布如圖6所示。吸嘴底部出現(xiàn)滯留區(qū)，隨著車速的提高，滯留區(qū)個(gè)數(shù)增加且有向吸嘴邊界移動(dòng)的趨勢(shì)。近吸塵口處低壓區(qū)面積增大、壓力值降低，降低了吸嘴的“有效工作效率”。

圖6 截面Y=1170 mm靜壓力分布

4 結(jié)論

1）該反吹式吸嘴離地間隙δ不大于10 mm時(shí)，吸塵功率較大；2）吸嘴離地間隙δ=10 mm時(shí)，近地面存在“λ”型的低速區(qū)域；3）車速及離地間隙均對(duì)總除塵效率影響較大，相同車速下，離地間隙越大則總除塵效率越低；相同離地間隙下，隨著車速的不斷提高，總除塵效率下降。