摘要:运用计算流体力学技术对高速公路清扫车吸尘系统的流场进行了仿真分析与结构改进。仿真采用有限体积法FVM,利用非结构化网格对吸盘模型进行网格划分,采用k-å湍流双方程模型模拟湍流流动。经过分析不同设计方案对吸尘效率的影响,最后得到一个改进的设计方案,大大提高了靠近地面的气流速度,改进了流场分布,提高了吸尘效率,且不会出现气流外泄造成的二次污染,达到了设计要求,为开发具有自主知识产权高效率的公路清扫车做出了重要贡献。
关键词:公路清扫车;吸尘系统;计算流体力学;仿真
文章编号:1004-731X(2004)12-2770-04 中图分类号:TP202 文献标识码:A
引言
目前国内使用的清扫车主要为国产,国产高速公路清扫车价格便宜,但普遍存在清扫率低的缺点。进口清扫车可靠性比国产车高,但价格高,且只能用于干净路面的保洁、使用费用高、售后服务不方便,所以研制高性能的国产高速公路清扫车具有巨大的市场前景。
高速公路清扫车按底盘、动力、扫刷、吸盘、风机、集尘箱等不同,结构型式分为多种,其核心部分为气路系统。气路系统主要由两部分组成,一是吸尘系统,主要由位于车体下部的吸盘和相应的回吹装置组成;二是除尘系统,主要工作部分为位于车体中上部的集尘箱。
清扫车主要有纯吸式和吸扫式,吸扫式清扫车的清扫率高于纯吸式清扫车。目前,国外知名厂家的高速公路清扫车皆采用吸扫式。本文讨论吸扫式吸尘系统,主要工作原理为扫-吸结合,即先以盘式扫刷将路面垃圾扫至吸盘区域,再利用风机吸气口端的负压将垃圾吸入集尘箱,同时,利用风机后端的部分正压气体对路面垃圾进行回吹,使其离开地面一定高度并被吸入集尘箱,通过这种吹吸结合的办法提高清扫效率。
本文着重分析吸尘系统。目前,国产公路清扫车的吸尘系统的设计大多仍然采用传统的做法,即设计人员首先进行吸盘与气路的结构设计,制造出物理样机进行测试[1],需要进行多次反复。吸尘系统的效率主要依赖于流场分布,而流场取决于吸盘、气路的结构[2~3]。由于吸扫式吸尘系统的工作环境的复杂性,这种传统的设计方法往往难以达到期望的效果,这也是目前国产高速公路清扫车普遍存在清扫率低的缺点的原因。
自1990年代中期以来,虚拟产品开发技术成为产品创新设计的支撑手段[4],作为近代流体力学、数值科学和计算机科学相结合的产物——计算流体力学(CFD)是分析产品流场的有效工具[5~8]。本文基于CFD技术对某一实际公路清扫车的吸尘系统进行仿真设计与优化,同步进行吸尘系统的结构设计和性能分析,减少了设计反复,缩短了设计周期,降低了设计成本,为开发我国高性能的高速公路清扫车做出了重要贡献。
1清扫车吸盘流场仿真建模
1.1物理模型
吸盘是吸尘系统的核心,吸盘的结构直接决定了其流场分布,从而决定了吸尘效率。图1为某实际清扫车吸盘最初设计的结构示意图,吸盘距离地面0.01m,在移动过程中由于风机的负压作用,将回吹气流吹起的地面上的垃圾吸入集尘箱内,该吸盘的尺寸是1.0m×0.5m×0.3m,通往集尘箱的导管位于吸盘一侧。
由于吸盘与地面有0.01m左右的缝隙,清扫车工作时此处气流以一定速度将吸盘周围的空气和灰尘吸入吸盘内部,该部分的压力、速度和流量均未知,为此在物理模型的基础上扩展吸盘与外部的连接区域如图2所示。我们可以假定远离吸盘的区域不受影响,并设扩展区域边界上的静压为0,可真实模拟实际流场。
为进行CFD分析,需要对吸盘进行网格划分。网格分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格数量少,计算量少,适合规则物体网格划分。非结构化网格一方面可以不受求解域拓扑结构以及边界形状的牵制,同时还可以通过自适应网格,对速度梯度与压力梯度较大以及吸盘与地面接触部位进行网格细化,这样有利于增加计算结果的精确性。图3为初始设计吸盘网格示意图,采用非结构化四面体网格。相对于结构化网格,非结构化四面体网格数目多,计算量大,该吸盘总网格数达到了4,000,000量级。
1.2数学模型
清扫车工作时,气流从回吹风口进入,将吸盘区域的地面垃圾吹起,由于吸盘内为负压,周围的气体也将被吸入吸盘,气流和垃圾在吸盘内流动并最终从导管流出进入集尘箱,它们遵循以下方程:
1) 连续性方程: