基于CFD仿真的微型電動(dòng)吸塵車抽吸系統(tǒng)的改進(jìn)分析

詹曉華

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021)

0 引言

微型電動(dòng)吸塵車作為一種新型的集吸灰塵、分離和運(yùn)輸為一體的高效除塵設(shè)備，具有零排放、低噪音、吸力強(qiáng)勁、清潔徹底、可靠耐用、無(wú)揚(yáng)塵污染、節(jié)約水等優(yōu)點(diǎn)。而吸嘴、反吹系統(tǒng)、灰箱等是吸塵車氣路系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)對(duì)吸塵能力起到非常關(guān)鍵的作用。氣流在以上部件中流動(dòng)，流動(dòng)的路徑、管道阻力及產(chǎn)生的旋流等對(duì)吸塵效果具有重大影響[1]。分析氣流的流動(dòng)在整個(gè)抽吸系統(tǒng)中具有重要意義。在制造和工程領(lǐng)域，CFD流體分析主要應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題[2]。本文通過(guò)采用CFD仿真方式對(duì)微型電動(dòng)吸塵車吸嘴、反吹系統(tǒng)及灰箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 微型電動(dòng)吸塵車抽吸系統(tǒng)改進(jìn)思路

微型電動(dòng)吸塵車的工作原理如圖1所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)排空氣體形成真空負(fù)壓，在負(fù)壓作用下，含塵氣流經(jīng)吸嘴吸入氣流管道，先進(jìn)入灰箱，此過(guò)程中大顆?；覊m會(huì)通過(guò)重力沉降與氣流分離，之后進(jìn)入濾筒進(jìn)行過(guò)濾，以除去小顆?；覊m，過(guò)濾后的潔凈氣流進(jìn)入驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出口的氣流分為兩路，一路直接排出，一路進(jìn)入反吹系統(tǒng)，反吹氣流使地面灰塵揚(yáng)起，提高吸嘴的抽吸效率。

上述工作原理分析中，如風(fēng)機(jī)流量及負(fù)壓一定時(shí)，氣流管路阻力、降塵阻力、反吹阻力等因素是決定吸塵車工作效果的關(guān)鍵因素。為提高整臺(tái)吸塵車的抽吸效果，本文提出如下改進(jìn)思路，先根據(jù)現(xiàn)有一些吸塵系統(tǒng)的研究結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定微型電動(dòng)吸塵車吸嘴的吸塵設(shè)計(jì)風(fēng)量。該風(fēng)量首先能有效地將塵粒從地面吸起，且保證塵粒隨氣流在管路中順利輸運(yùn)不發(fā)生沉降，以免堵塞管路。再對(duì)原有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行管路阻力大小和反吹系統(tǒng)校核計(jì)算，以考察是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求。最后重新設(shè)計(jì)吸嘴、反吹系統(tǒng)，并對(duì)灰箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高重力沉降的除塵效率，以減小濾筒的壓力，同時(shí)還對(duì)氣路提出改進(jìn)方案，使反吹的氣流不通過(guò)濾筒，可以大幅減小阻力。

2 微型電動(dòng)吸塵車抽吸系統(tǒng)的分析

2.1 吸嘴吸塵風(fēng)量設(shè)計(jì)

由于氣路系統(tǒng)的阻力與風(fēng)量的平方成正比，所需風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)量的三次方成正比。若小幅地提高風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致所需風(fēng)機(jī)功率的大幅提高，因此，風(fēng)量不是越大越好，在能夠滿足吸塵需求的情況下，風(fēng)量應(yīng)盡量減小。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，塵粒起動(dòng)的臨界風(fēng)速可以由經(jīng)驗(yàn)公式1近似確定，此風(fēng)速可以看做吸起塵粒所需在地面達(dá)到的風(fēng)速大小。

(1)

為了測(cè)試吸嘴附近地面的風(fēng)速情況，設(shè)定風(fēng)量為24 m3/min時(shí)的仿真結(jié)果如圖2所示[3]，說(shuō)明地面附近風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到10 m/s以上，可以吸起直徑2 mm以下的顆粒。由于所需風(fēng)速隨塵粒直徑的增大而增大，所以考慮到經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)最大吸塵直徑不宜過(guò)大。

垂直管道中應(yīng)保持一定風(fēng)速以輸運(yùn)塵粒[4]，其大小與起動(dòng)速度相當(dāng)。在水平管道中，風(fēng)速應(yīng)比垂直管道略大，在較長(zhǎng)的水平管道中，風(fēng)速最好大于20 m/s。這是因?yàn)閴m粒容易沉積在管道底部，反而比垂直管道中的塵粒更難輸運(yùn)?？紤]到吸塵車使用的管道管徑為140 mm，按管內(nèi)風(fēng)速20 m/s計(jì)算，所需風(fēng)量約為18 m3/min。該風(fēng)量雖已足夠，但是為了提高吸塵效果，風(fēng)量應(yīng)在風(fēng)機(jī)允許的情況下越大越好。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，將設(shè)計(jì)風(fēng)量取為24 m3/min。

此外，該理論分析的結(jié)果僅表明單個(gè)塵?？梢员晃?，但是當(dāng)?shù)孛婊覊m較厚時(shí)，如果車速過(guò)快，可能來(lái)不及將所有塵粒全部吸起。不過(guò)考慮到反吹系統(tǒng)的作用，實(shí)際吸塵效率也可能會(huì)優(yōu)于分析結(jié)果。

2.2 反吹系統(tǒng)分析

依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)反吹系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算模擬，用簡(jiǎn)化模型代替反吹系統(tǒng)。如圖4所示，在反吹風(fēng)量為總風(fēng)量的四分之一(0.1 m3/s)時(shí)，模擬得到的系統(tǒng)阻力高達(dá)4 900 pa，顯然現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)難以提供如此大的阻力。這個(gè)現(xiàn)象主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的噴頭過(guò)多，噴頭出口狹窄，產(chǎn)生了巨大的摩擦阻力。實(shí)際使用過(guò)程中，如果不對(duì)風(fēng)機(jī)出口做任何處理，反吹系統(tǒng)中幾乎沒(méi)有風(fēng)量。如果堵住風(fēng)機(jī)出口，強(qiáng)迫部分氣流進(jìn)入反吹系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)阻力過(guò)大，達(dá)到8 000多pa，遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)可以提供的壓力。

表2 各編號(hào)噴口的風(fēng)量

此外，原反吹結(jié)構(gòu)存在流量不均衡的問(wèn)題，在圖3中，各編號(hào)噴口的風(fēng)量如下表所示。

從表2的數(shù)據(jù)可知，距離主管的距離越近，流速越快。距離主管遠(yuǎn)的部分，由于部分空氣已經(jīng)從前面的噴口噴出，流量變小，導(dǎo)致管內(nèi)流速變小，進(jìn)而管內(nèi)壓強(qiáng)變大，所以流量反而增大。其中距離主管較近的4號(hào)噴管噴氣量幾乎為零，甚至可能出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象。因此，原有設(shè)計(jì)方案如果使用4 kW風(fēng)機(jī)，在不使用反吹系統(tǒng)的情況下，可以基本滿足吸塵需求。

2.3 改進(jìn)方案

2.3.1 吸嘴部分

原設(shè)計(jì)的吸嘴可以基本滿足吸塵要求，將對(duì)部分結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)以進(jìn)一步減小氣流阻力。由于原設(shè)計(jì)中最可能導(dǎo)致阻力過(guò)大的部分在圓管的入口處，原設(shè)計(jì)中吸嘴結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，圖中顯示了吸嘴結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣流流線，三個(gè)噴嘴的氣流在圓管入口匯合產(chǎn)生漩渦，漩渦的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致流體的內(nèi)摩擦增加，導(dǎo)致了較大阻力。此外，灰塵在此漩渦中容易沉積，堵塞管道[5]。

改進(jìn)思路主要是將圓管入口處來(lái)自不同吸嘴的氣流先導(dǎo)引至圓管方向再匯合，可以避免反方向氣流的對(duì)撞導(dǎo)致的能量損失，改進(jìn)吸嘴結(jié)構(gòu)的CAD模型如圖5所示。氣流經(jīng)過(guò)一段彎管的導(dǎo)引，轉(zhuǎn)向到圓管方向，最大限度地保留了氣流的動(dòng)能。

從圖6可以看出，裝置改進(jìn)后，圓管入口的氣流平滑過(guò)渡，相應(yīng)的阻力也從1 700 pa大幅下降到1 000 pa。

2.3.2 反吹系統(tǒng)

由于原反吹系統(tǒng)無(wú)法保證各噴頭流量相同，且管道直徑過(guò)小，導(dǎo)致阻力極大，達(dá)不到反吹效果。若采用多個(gè)噴頭，則主管道的形狀必須精心設(shè)計(jì)才能夠保證流量均勻，這種設(shè)計(jì)成本過(guò)高，所以最好僅采用一個(gè)或兩個(gè)噴頭。由于要保證一定的噴氣寬度，使用兩個(gè)狹縫噴頭最合適，優(yōu)化方案如圖5所示，與吸嘴類似，使用兩個(gè)狹縫形噴嘴。同時(shí)為了保證反吹能夠起到效果，氣流必須達(dá)到一定速度，該速度需大于塵粒的啟動(dòng)速度。在噴氣風(fēng)量有限的情況下，噴口的截面積一定要盡可能小[6]。但是，過(guò)小的截面積會(huì)導(dǎo)致阻力急劇上升，因此，在遠(yuǎn)離噴口的部分，管道應(yīng)該盡可能粗，到達(dá)噴口后才收縮成預(yù)定的面積大小。

吸嘴和噴嘴的組合方式(主視圖和左視圖)如圖8所示，該組合方式所占空間并不大于原設(shè)計(jì)，不影響安裝。同樣對(duì)噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在反吹風(fēng)量為25%總風(fēng)量(0.1 m3/s)時(shí)，反吹噴口處速度可達(dá)15 m/s以上，完全可以達(dá)到效果[7]。反吹氣流的流線分布如圖9所示，反吹噴口附近的氣流速度大小分布如圖10所示。

2.3.3 灰箱

由于濾筒產(chǎn)生非常大的阻力，若能最大限度減小進(jìn)入濾筒氣流的含塵量，則可以有效減小濾筒的阻力，延長(zhǎng)濾筒的使用壽命。因此應(yīng)對(duì)灰箱進(jìn)行改進(jìn)，以使其起到一次除塵的作用，最大限度地除去氣流中的較大顆粒。目前常用的預(yù)除塵方式有重力沉降式、慣性式、旋風(fēng)式三種，重力沉降法需要空間較大，不適宜用在小型車輛上；旋風(fēng)式除塵效果最好，但是工藝復(fù)雜，且阻力較大；綜合考慮選用慣性式除塵方案最為合適。如圖11所示為使用慣性除塵方案的灰箱結(jié)構(gòu)圖，在灰箱內(nèi)加入一塊“人”字形擋板。

對(duì)這使用慣性除塵方案的灰箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，模擬結(jié)果如圖12所示，模擬458個(gè)直徑為50 μm的塵粒從入口流入，氣流受擋板影響向兩邊分開，但是塵粒由于慣性作用保持向前，直到擋板的尖角區(qū)域，被擋板阻擋。由于此處的氣流速度較慢，塵粒在這里與氣流分離向下沉降到灰箱底部。部分塵粒隨氣流向上流出后繞過(guò)擋板，由于流速下降，在重力作用下也沉降于灰箱底部。少部分塵粒未能沉降，隨氣流流出灰箱，最終將被濾筒過(guò)濾。

表3顯示了不同粒徑的灰塵的清除效率，可見，對(duì)于100 μm以上顆?？梢曰境M，對(duì)于50 μm以上顆粒除塵率可達(dá)90%以上?；蚁渲匦略O(shè)計(jì)后，阻力增大，約為778 pa左右，較之前升高了約300 pa，但提高了除塵效率。

2.3.4 一種新的氣路方案

原氣路設(shè)計(jì)如圖1所示，所有氣流經(jīng)由吸嘴吸入后都經(jīng)過(guò)濾筒后進(jìn)入風(fēng)機(jī)，該種管路長(zhǎng)，不僅會(huì)加大濾筒的阻力，而且也加大了濾筒的流量，因?yàn)橛糜诜创档臍饬髯罱K會(huì)被吸嘴吸回，因此可以不考慮過(guò)濾。同時(shí)為了保證反吹系統(tǒng)的流量，風(fēng)機(jī)出口處必須人為堵住一部分，以提供與反吹系統(tǒng)相同的阻力[8](約629 pa)，否則氣流不會(huì)進(jìn)入反吹系統(tǒng)。因此為了解決這些問(wèn)題，提出了一種新的方案，如圖13所示。風(fēng)機(jī)出來(lái)的風(fēng)分為濾筒和反吹系統(tǒng)兩路，兩路的阻力大小相近，可以保證反吹系統(tǒng)的風(fēng)量。氣流從風(fēng)機(jī)出來(lái)后，只有不參與反吹的氣流才經(jīng)過(guò)濾筒，減小了濾筒阻力。若反吹風(fēng)量為25%，濾筒阻力可減小到原來(lái)的56%。

3 結(jié)論

本文利用CFD軟件模擬仿真方式，對(duì)微型電動(dòng)吸塵車抽吸系統(tǒng)中的吸嘴、反吹系統(tǒng)、風(fēng)道、灰箱等重要部件進(jìn)行流體仿真分析。通過(guò)仿真對(duì)比，提出吸嘴采用導(dǎo)引加反吹方式，保持吸嘴口處的流體動(dòng)能，有效提高抽吸能力。并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，在帶導(dǎo)引加反吹方式下，氣流分兩路，通過(guò)設(shè)計(jì)分流管道大小保持阻力均衡，檢驗(yàn)改進(jìn)方案的效果，通過(guò)模擬計(jì)算反吹量控制25%時(shí)，濾筒阻力只有原來(lái)56%。阻力減少值大于反吹風(fēng)量減少值，證明該種仿真模擬有效提高吸嘴性能。同樣，在分析灰箱結(jié)構(gòu)后，提出采用慣性降塵法進(jìn)行除塵，通過(guò)仿真模擬檢驗(yàn)，對(duì)于100 μm以上顆粒，除塵率也達(dá)到99.3%，檢驗(yàn)證明該方式能有效提高降塵效率。在以上模擬仿真分析后，進(jìn)一步提出一種風(fēng)機(jī)雙向分流供給反吹系統(tǒng)和濾筒的平衡利用方式，大大減小原來(lái)的流體內(nèi)循環(huán)阻力，提高整個(gè)抽吸系統(tǒng)的效率。采用CFD模擬仿真分析方式，為實(shí)際優(yōu)化改進(jìn)提供有效的理論依據(jù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供較大幫助。