2初始吸盘流场的CFD分析
初始吸盘的物理模型和网格模型如上图2和图3所示,采用CFX5进行求解计算。计算过程中使用的边界条件为:风机流量3.04m3•s-1,回吹风口速度150m•s-1,与地面夹角0°,扩展区域边界的静压为0。计算过程中求解N-S方程,采用k-å双方程湍流模型,离散方法采用有限体积法(FVM)。
由于回吹风的存在,垃圾是否会被吹出吸盘造成二次污染是一个很重要的问题。为更好的分析气流运动,沿回吹风的方向截取有代表性的三个剖面如图1所示,研究这三个剖面的速度矢量分布。其中三维坐标原点设为吸盘中点,图中所示A,B,C的X方向坐标分别为-0.4m,0m,0.4m。图4~图9分别为各个剖面的速度矢量以及与外部气流接触部位(各剖面图中圆圈所围区域)的局部放大速度矢量图。
从图4~图9可以得到如下结论:
1)在A剖面中,气流速度低于其他几个剖面,这是由于风机管道为非对称设计,A剖面距离管道较远造成。A剖面的较低气流速度将导致该部位的部分垃圾不能顺利的被吹起进入风机管道,势必影响该位置的吸尘效率;
2)在B剖面中靠近地面的位置,由于回吹风口的水平气流的影响存在沿Y方向的较大的气流速度,气流行程从回吹风口一直到吸盘-Y壁面;
3)在B剖面中,沿吸盘移动的Y方向上的吸盘壁附近,存在着较大的气流速度,这说明回吹气流沿地面流动后受到了Y壁面的阻挡,气流因此改变了方向;
4)在B的剖面局部放大图上,由于受到B剖面上存在的回吹气流的影响,在该部位存在向外离开吸盘的速度矢量,这说明,部分气体将携带垃圾离开吸盘,这将造成二次污染。
5)由于C剖面靠近导管,此处气流速度最高,强大的吸力将地面垃圾带入导管。
由此可见,该吸盘的结构设计不十分合理,一方面会造成部分区域的垃圾不能完全清除,另一方面会造成在吸盘正前方的部分垃圾被吹出吸盘,造成二次污染。
3吸盘的结构改进
由仿真分析结果,初始设计的吸盘吸尘效率低,为提高吸尘效率,需要从结构入手,进行改进设计。通过调整导管的位置、修改回吹风口的形状、吸盘边角圆弧化、增减挡板,设计了一系列不同结构的吸盘,经过分析最终找到了最佳的吸盘结构。图10即为改进结构后吸盘结构示意图,相对初始设计有如下不同:
1)通往垃圾箱的风管居中;
2)形状改变为圆滑的弧形,消除死区;
3)添加导流挡板;
4)加大前吸尘口的高度;
5)回吹风口角度变为45°。
该吸盘的网格模型、边界条件和求解方法都同初始吸盘。同样截取三个剖面A,B,C如图10所示,分析它们的速度矢量分布。图11-图13为A,B,C三个剖面上速度矢量图,图14为垂直方向剖面速度矢量图。