DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.009

扫路车反吹式吸嘴运行参数的CFD分析

郗元¹，成凯¹，LI Guangxian²，程磊³，高学亮⁴，董超¹

 (1. 吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春，130022；

2. 墨尔本皇家理工大学 航空航天、机械与制造工程学院，墨尔本 澳大利亚，3001；

3. 徐州徐工随车起重机有限公司，江苏 徐州，221007；

4. 吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室，吉林 长春，130022)

摘要：以国内某扫路车的反吹式吸嘴为研究对象，根据实际尺寸建立三维计算模型。通过气固两相流动的数值模拟，以除尘效率为评定指标，得出最佳运行参数组合，最后结合试验验证数值模拟的准确性。研究结果表明：车速或离地间隙增加，除尘效率降低；压降提高，除尘效率也随之提高；反吹风量增大，除尘效率先提高后降低；为了实现扫路车高速低能耗作业，通过优化获得最佳运行参数组合为：反吹风量为2 172 m³/h，车速为10 km/h，压降为2.4 kPa，离地间隙为10 mm。

关键词：反吹式吸嘴；计算流体力学(CFD)；气固两相流；运行参数

中图分类号：U418.3             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)04-1144-07

CFD analysis of the operating parameters of reverse blowing pickup mouth for a street sweeper

XI Yuan¹, CHENG Kai ¹, LI Guangxian², CHENG Lei³, GAO Xueliang⁴, DONG Chao¹

 (1. College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;

2. School of Aerospace, Mechanical and Manufacturing Engineering, RMIT University, Melbourne 3001, Australia;

3. XCMG Xuzhou Truck-mounted Crane Co., Ltd., Xuzhou 221007, China;

4. National Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation, Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract: A domestic reverse blowing pickup mouth was studied as the research object. The three-dimensional calculation model was obtained according to the actual size. Gas-solid two phase flow was employed. The optimum operation parameters were proposed by taking the dust removal efficiency as evaluation index. Finally, the accuracy of numerical simulation was verified by experimental results. The results show that dust removal efficiency decreases with the increase of speed or ground clearance; dust removal efficiency increases with the increase of pressure drop; dust removal efficiency increases first and then decreases with the increase of reverse blowing rate flow. In order to achieve operation of low power consumption and high speed, factors were optimized to obtain the optimal parameters as reverse blowing rate flow of 2 172 m³/h，speed of 10 km/h, pressure drop of 2.4 kPa, and ground clearance of 10 mm.

Key words: pickup mouth; CFD; gas-solid two phase flow; operation parameters

随着国内交通道路的发展和完善，交通扬尘也随即而来。据有关研究表明：城市主要颗粒物污染来自交通扬尘，其中路面尘负荷对颗粒物浓度的影响最大 ^[1]。扫路车作为新型高效清扫设备，集合路面颗粒物清扫、回收和运输于一身，在市场需求方面呈现一个快速的增长态势^[2-5]。陈忠基等^[6]通过对样机进行反复调整和试验，最终得出结论：增设翼板可使吸嘴内部流速均匀分布，进而大大提高了除尘效率。该方法不仅成本较高，而且试验周期较长。随着计算流体力学的不断发展，计算流体力学(CFD)数值模拟方法开始被引入到吸嘴设计中。ZHANG等^[7-8]运用CFD气相流动模型对吸嘴内部气流的流动进行了研究，并提出结构上的改进以获得更高的吸尘效率。欧阳智江等^[9-10]运用CFD气固两相流动模型，以不同粒径颗粒物能否被顺利吸起为目标展开了研究，并对吸嘴进行了不同程度上的结构改进。上述研究从结构上提高了单吸式吸嘴的吸尘效率，但是均未针对运行参数展开研究，也没有对新型反吹式吸嘴进行相应研究。本文作者借助CFD数值模拟技术对某型号吸扫式扫路车的反吹式吸嘴各项运行参数，如反吹风量、行驶速度、压降和离地间隙进行数值模拟研究，为其在保证除尘效率的前提下，以实现高质、高速、节能作业。

1  吸嘴工作原理及结构

图1所示为反吹式吸嘴内部结构示意图。离心风机为气力输送系统提供动力源，风机的入口与出口分别与垃圾箱及吸嘴反吹风口C相连通。反吹吸嘴的特点在于风机出口部分气流经由反吹风口C进入吸嘴回吹风腔，其余气流经过滤后排入到空气中，流量的分配由风门手柄控制。进入回吹风腔的气流最后由吸嘴底部的L型喷口喷出封闭气幕来辅助吸尘口A吸尘，因此颗粒物在吸尘口和反吹风口联合作用下被吸入。吸嘴结构参数及具体尺寸如表1所示，其中离地间隙和行驶速度分别用δ和v表示。

图1  结构示意图

Fig. 1  Structure diagram

表1  吸嘴主要结构尺寸

Table 1  Dimensions of the pickup mouth

2  数值计算方法

2.1  算法选取及边界条件

图2所示为吸嘴网格模型。由于吸嘴的结构不规则，故采用前处理软件Icem对模型进行分块结构网格划分。通过网格无关性检验，网格数量最终确定为  115 694个(图2)。吸嘴工作时气体在腔内进行复杂、不可压缩的三维气固两相流动。为了计算机求解过程的稳定性和计算结果的准确性，选用有限体积法作为方程的离散形式。根据吸嘴内部湍流特性，标准k-ε模型可以较好地预测及模拟此类复杂流动^{[7-8, 12]}。求解过程中，内部气流流动视为不可压缩稳态流动。压力-速度耦合算法选择选择SIMPLEC算法，离散方式选为二阶迎风差分格式，其余参数保持缺省设置。

为了能够合理地模拟吸嘴的工作过程，其边界条件设置如下：吸尘口D₁和反吹口D₂分别设置为压力出口和速度入口；由于吸嘴工作时离地间隙为δ，准确模拟颗粒物在周围缝隙处吸入过程对进一步计算除尘效率至关重要。在周围缝隙处加上扩展区^[8-11]，避免此处由于速度等边界条件未知所带来的设置等难题。前、后、左、右扩展区入口处边界条件设置为压力入口，大小设置为标准大气压；其余面的边界条件均设置为壁面，其中为了模拟吸嘴的行驶及工作状态，底部壁面设为静止壁面，剩余壁面均设为移动壁面，移动壁面的行驶速度即为车速。

图2  吸嘴网格模型

Fig. 2  Meshes of the physical model

2.2  颗粒相模型

气固两相耦合模拟中固相的模型选用离散相模型(DPM)，DPM模型可以对单个粒子在运动过程中所受的重力、提升力等进行受力平衡方程计算，即可计算粒子的运动轨迹。因此，根据不同颗粒的轨迹，除尘效率便可通过监测反吹式吸嘴吸尘口A处溢出的颗粒数量和模拟过程中注入的总颗粒量的比来获得^[11]。路面颗粒物的粒度分布模型使用WU等^[10]测得的路面砂粒粒径分布，其粒径区间分布柱状图和颗粒相参数设置分别如图3和表2所示。

图3  砂粒区间分布柱状图

Fig. 3  Interval distribution of sand particles

表2  颗粒相主要参数设置

Table 2  Main features of particles phase

2.3  流场控制方程

针对本模型的气固两相耦合计算，多相流耦合和离散相模型的选取分别为欧拉-拉格朗日和DPM模型。

1) 整个工作过程中吸嘴内的气体与外界气体无热量交换，满足连续性方程和动量方程，控制方程通用形式如下：

     (1)

式中：ρ为流体密度；f为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

2) k-ε方程：

     (2)

  (3)

式中：k为湍流动能；ε为动能耗散系数，，取σ_k=1.0；C_1ε=1.44；C_2ε=1.92；σ_ε=1.3。

3) DPM通过整合颗粒的受力平衡计算单个颗粒的轨迹，根据牛顿第二定律可知：

           (4)

其中：F_D为黏性力；F_g为重力；F_s为剪切力；m_p为颗粒质量；u_p为颗粒速度。

3  计算结果及分析

3.1  反吹风量对吸尘效率的影响

总除尘效率是衡量吸嘴吸尘性能的重要指标。为了研究反吹风量对吸尘效率的影响，选取最高市内有效清扫速度为12 km/h，通过DPM模型计算得出注入颗粒的运行轨迹，对比颗粒从吸尘口溢出的数量和注入数量，计算得出吸尘效率曲线。图4所示为反吹风量与总除尘效率关系。从图4可知：随着反吹风量的增大，除尘效率先升高后降低；当反吹风量小于临界值2 172 m³/h时，反吹风量的增加有助于颗粒的移动，能将吸嘴行驶方向右侧的颗粒顺利地吹入到左侧吸尘口附近，反吹效果较显著；而当反吹风量过大时，近地面颗粒出现了外泄现象，进而导致除尘效率大幅度下降。通过观察吸嘴内部的颗粒运动轨迹可知：反吹风量和车速均使得颗粒与吸嘴间的相对运动速度大幅提高。其中，较大的相对运动速度导致多数颗粒以较大碰撞角在吸嘴内部运动，因此，被吸入的颗粒与吸嘴内壁的碰撞后从四周缝隙溢出。根据扫路车行业标准QC/T 51—2006“吸扫式扫路车除尘效率不低于90%”^[16]，反吹风量不高于2 172 m³/h较合适。

图4  反吹风量与总除尘效率关系

Fig. 4  Effects of reverse flow on overall removal efficiency

3.2  行驶速度对吸尘效率的影响

选取反吹风量为2 172 m³/h，压降为2.3 kPa，同样通过DPM模型计算得出注入颗粒的运行轨迹，对比颗粒从吸尘口溢出的数量和注入数量，计算得出行驶速度对吸尘效率的曲线。图5所示为车速与总除尘效率曲线图。从图5可知：当行驶速度不高于12 km/h时，车速的提高对吸尘效率影响相对较小，除尘效率下降8.5%；当行驶速度在12~15 km/h时，车速的提高对吸尘效率影响相对较大，除尘效率下降18.2%。除尘效率的急剧下降中可以归因于以下2个方面：1) 较高的车速增加了吸嘴与颗粒物间的相对速度，与反吹风量的影响相类似，观察颗粒轨迹可以看出较多的颗粒以较大碰撞角朝向吸嘴前进气口移动。由于颗粒中存在较大颗粒物，且其受惯性的影响相对较大，致使部分被吸入的颗粒与吸嘴内壁碰撞后，相继由离地间隙处逃出；2) 较高的行驶速度同样带来路面颗粒负载比的增加，即单位时间吸入的颗粒物数量将大幅度提高。对于单个颗粒来说，其将获得较少的动能，不利于被吸嘴顺利吸入。综合上述原因分析可知：较高的行驶车速对总除尘效率的影响比较低速运行时对总除尘效率的影响大。

颗粒平均滞留时间是颗粒动态特性1个重要指 标^[10]，不同作业车速下对应的颗粒平均滞留时间如图6所示。从图6可知：低速作业时颗粒的平均滞留时间较短，随着作业车速的提高，颗粒的平均滞留时间变得较长。产生这一现象的原因与车速对总除尘效率影响相似，随着车速的提高使单位时间内吸入的颗粒数增多，颗粒负载比增加，致使颗粒获得的动能减少，相同行程距离下延长了时间。对于除尘效率来说，较短的平均滞留时间有利于吸起地面上的颗粒物。

图5  车速与总除尘效率曲线图

Fig. 5  Effects of sweeper-traveling speed on overall removal efficiency

图6  车速与颗粒平均滞留时间关系

Fig. 6  Effects of sweeper-traveling speed on mean residence time

综合车速对吸尘效率的影响分析，根据吸扫式扫路车除尘效率不低于90%以及颗粒在吸嘴内平均滞留时间较短有利于颗粒的拾取等，车速选为10 km/h较合适。

3.3  压降对吸尘效率的影响

扫路车作为路面移动清扫设备，在保证除尘效率的前提下合理选取压降对经济运行至关重要。选取车速为10 km/h，反吹风量为2 172 m³/h，压降分别为1.4，1.7，2.0，2.3，2.6，2.9，3.2和3.5 kPa时压降对吸尘效率的影响如图7所示。

从图7可见：随着压降不断提高，总除尘效率上升；当压降在3.2~3.5 kPa时，总除尘效率上升缓慢。增大吸嘴压降使得颗粒物能获得更多的动能，因此，更多的颗粒被吸入，总除尘效率得到提高。当压降大于3.2 kPa时，压降增大使吸嘴近地面吸尘功率得到增大，导致内部气流速度增大，进而使得沿程损失量增大，此时，吸尘功率的增加程度近似地等于沿程损失程度，所以，此时吸嘴的周围进气面速度值变化不明显，吸尘效率不变。

图7  压降与总除尘效率曲线图

Fig. 7  Effects of pressure drop on overall removal efficiency

不同压降作用下对应的颗粒平均滞留时间如图8所示。从图8可知：随着吸嘴压降的不断提高，颗粒平均滞留时间不断缩短；当压降在3.2~3.5 kPa时，平均滞留时间变化不大。这一现象产生的原因与压降对总除尘效率影响相似，均由压降增大使颗粒获得更多的动能，相同行程距离下缩短了时间。当压降增大到一定程度时，吸尘功率的增加程度近似地等于沿程损失程度，颗粒获得的动能变化不大，平均滞留时间也就变化不大。

图8  压降与颗粒平均滞留时间关系

Fig. 8  Effects of pressure drop on mean residence time

综合压降对吸尘效率的影响分析，根据吸扫式扫路车除尘效率不低于90%以及颗粒在吸嘴内平均滞留时间较短有利于颗粒的拾取等，压降选2.4 kPa较合适。

3.4  离地间隙对吸尘效率的影响

选取反吹风量为2 172 m³/h，车速为10 km/h，压降为2.4 kPa，离地间隙分别为5，10，15和20 mm时离地间隙对除尘效率的影响如图9所示。从图9可知：随着离地间隙的不断提高，总除尘效率不断降低，且急速下降。离地间隙的提高降低了吸嘴工作时的密闭性，即负压作用降低。根据吸扫式扫路车除尘效率不低于90%，离地间隙不高于13 mm较合适，此时吸嘴周围形成的负压最大，可最大程度地提高尘粒等的吸入效率。调整吸嘴离地高度不但要对吊链的长度进行调整，而且需要对行走架、避让装置等进行调整，甚至需要对部分构件进行重新购置及加工，带来的经济成本较大。因此，选择改变支撑轮的尺寸来对实现离地间隙的变化。通过对标准吸嘴支撑轮的尺寸进行筛选后，最终确定离地间隙为10 mm，满足不高于13 mm离地间隙要求，且该方法简单可行、成本相对较低。

图9  离地间隙与总除尘效率曲线图

Fig. 9  Effects of ground clearance on overall removal efficiency

4  结果与分析

4.1  速度场分析

综合各运行参数对吸尘效率的影响结果，选取反吹风量为2 172 m³/h，吸嘴压降为2.4 kPa，车速为   10 km/h和离地间隙为10 mm。图10所示为吸嘴近地面速度云图及流线图，颗粒在吸嘴内的运动轨迹如图11 所示。在吸嘴底部条缝状L型喷口及吸尘口共同作用下，气流均由吸嘴周围向内部流入。近地面中心出现低速区域，因周围环绕高速气流，所以，对吸嘴整体吸尘效果影响不大。地面颗粒能否被有效拾取取决于近地面速度，城市道路常见颗粒物有效吸尘速度为  18 m/s^[13]。吸尘口附近速度范围为27.0~40.0 m/s，远离吸尘口一侧速度范围为19.1~24.4 m/s，说明反吹式吸嘴近地面气流速度满足吸尘速度。从图10可以看出不存在外泄造成的二次污染。

4.2  试验验证

出于安全性考虑及在实际路况上测试带来交通不便等原因，试验场地选择在企业厂区内进行。颗粒被均匀铺在预选区域内，此吸尘试验场地的分布密度为0.15 kg/m²。调整试验所选的扫路车风机转速，使得反吹式吸嘴的压降为2.4 kPa；通过更换吸嘴支撑轮，使得离地间隙保持为10 mm且需保证扫路车匀速行驶。选择尽量多的测点有助于对比仿真结果，考虑到Z轴方向的吸嘴宽度，测点数目最终定为7个。同时，为了能够尽量测得近地面的流场速度，测试高度X选定为10 mm，Y选定为200 mm。为了确保与仿真所设置边界条件的一致性，待整车作业稳定后开始试验。吸嘴工作时，会含有大量颗粒等杂质。为了能够测得含尘气流的速度避免颗粒物造成传感器的堵塞等问题，选用KASDA-KV621热线风速仪作为测试传感器。本次试验共进行5次测试，每个测点取测试速度的平均值，将其作为该测点的最终速度。

表3所示为速度仿真值与试验值的对比，通过两者的速度相对误差来验证模型计算的准确性。根据速度相对误差公式计算得出速度最大相对误差为9.80%，平均相对误差为7.63%。由于仿真过程中不同计算节点的网格划分、实际问题的简化等因素以及测试仪器精度等，该相对误差在允许范围10%之内^{[10-11, 15-16]}，可以满足工程需要。该研究结果既说明了仿真结果的可信性，又为扫路车运行参数的设计和优化提供了参考。

图10  吸嘴近地面速度云图及流线图

Fig. 10  Velocity contour and stream traces near ground

图11  颗粒运动轨迹

Fig. 11  Particle trajectory of reverse blowing pickup mouth

表3  速度仿真值与试验值对比

Table 3  Comparison of velocity between simulation results and experimental results

5  结论

1) 采用CFD气固两相流数值模拟，以除尘效率为性能指标，研究各参数与除尘效率的关系。车速或离地间隙增加，除尘效率降低；压降提高，除尘效率也随之提高；反吹风量增大，除尘效率先提高后降低。

2) 为了实现扫路车高速低能耗作业，通过优化获得最佳运行参数组合为：反吹风量为2 172 m³/h ，车速为10 km/h，压降为2.4 kPa，离地间隙为10 mm。运用CFD技术对反吹式吸嘴内部流场进行数值模拟研究时，方法可靠且对设计具有指导意义。

参考文献：

[1] KHANAL R, FURUMAI H, NAKAJIMA F. Toxicity assessment of size-fractionated urban road dust using ostracod heterocypris incongruens direct contact test[J]. Journal of Hazardous Materials, 2014, 264(2): 53-64.

[2] KAUL M, SCHMIDT E. Reduction of street sweeper emissions using electrostatic precipitators[J]. Gefahrstoffe Reinhaltung Der Luft, 2015, 75(3): 106-110.

[3] LU S, ZHOU Z, HAN E, et al. New energy road sweeper scenario design and simulation[C]//Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo. Beijing: IEEE, 2014: 1-4.

[4] WALTER S, ULLI-BEER S, WOKAUN A. Assessing customer preferences for hydrogen-powered street sweepers: a choice experiment[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(16): 12003-12014.

[5] KANG J H, DEBATS S R, STENSTROM M K. Storm water management using street sweeping[J]. Journal of Environmental Engineering, 2009, 135(7): 479-489.

[6] 陈忠基, 吴晓元, 徐广普, 等. 路面清扫车吸嘴装置的实验研究[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2001, 29(12): 1483-1485.

CHEN Zhongji, WU Xiaoyuan, XU Guangpu, et al. Experimental study on suction mouth of vacuum sweeper[J]. Journal of Tongji University (Science and Technology), 2001, 29(12): 1483-1485.

[7] ZHANG Y, YANG C, BAKER C, et al. Effects of expanding zone parameters of vacuum dust suction mouth on flow simulation results[J]. Journal of Central South University, 2014, 21(6): 2547-2552.

[8] 朱伏龙, 张冠哲, 陈杰. 真空吸尘车吸尘口的流场仿真和结构优化[J]. 机械设计与制造, 2008(11): 50-52.

ZHU Fulong, ZHANG Guanzhe, CHEN Jie. Flow field analysis and structure optimization of vacuum sweeper suction mouth[J]. Machinery Design & Manufacture, 2008(11): 50-52.

[9] 欧阳智江, 章易程, 贾光辉, 等. 卷边吸尘口流场特性研究[J]. 机械科学与技术, 2013, 32(3): 362-366.

OUYANG Zhijiang, ZHANG Yicheng, JIA Guanghui, et al. Flow properties of dust suction mouth with curled edges[J]. Mechanical Science & Technology for Aerospace Engineering, 2013, 32(3): 362-366.

[10] WU B, MEN J, CHEN J. Improving the design of a pickup head for particle removal using computational fluid dynamics[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2011, 225(4): 939-948.

[11] WU B, MEN J, CHEN J. Numerical study on particle removal performance of pickup head for a street vacuum sweeper[J]. Powder Technology, 2010, 200(1): 16-24.

[12] 王福军．计算流体动力学分析: CFD 软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 120-123.

WANG Fujun. Computational fluid dynamics: principles and applications analysis in CFD software[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 120-123.

[13] 朱伏龙. 基于吸尘性能的吸尘口结构研究与流场分析[D]. 上海: 上海交通大学机械与动力工程学院, 2008: 18-29.

ZHU Fulong. The structure research and flow field analysis of dust collection port based on sucking performance[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University. School of Mechanical and Dynamic Engineering, 2008: 18-29.

[14] QC/T 51—2006, 扫路车行业标准[S].QC/T 51—2006, The national automotive industry standard[S].

[15] XI Y, CHENG K, LOU X T, et al. Numerical simulation of gas-solid two-phase flow in reverse blowing pickup mouth[J]. Journal of Donghua University (English Edition), 2015, 32(4): 530-535.

[16] XI Y, CHENG K, XIAO T, et al. Parametric design of reverse blowing pickup mouth based on flow simulation[J]. Journal of Information & Computational Science, 2015, 12(6): 2165-2175.

(编辑  罗金花)

收稿日期：2015-05-27；修回日期：2015-07-27

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51375202)(Project (51375202) supported by National Natural Science Foundation of China)

通信作者：成凯，博士(后)，教授，从事工程车辆及专用车系统节能与控制技术研究；E-mail：chengkai@jlu.edu.cn