摘要:运用计算流体力学技术对高速公路清扫车集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集尘箱模型进行网格划分,采用k-ε湍流双方程模型模拟湍流流动。分析不同的集尘箱设计方案对灰尘沉降效率的影响,经过一系列优化,最后得到一个优化的设计方案。新集尘箱延长了气流在集尘箱内的停留时间,降低了靠近底部位置的气流速度,有利于垃圾的沉降与堆积,达到了实际设计要求,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;集尘箱;计算流体力学;仿真;优化
中图分类号:TP202文献标识码:A文章编号:1006-9348(2004)09-0157–03
1引言
上世纪90年代以来,国内高等级公路不断增加,公路养护工作日益重要,公路清扫车的市场需求日益扩大。为满足市场需求,各地纷纷开发生产清扫车,短短几年国内的清扫车就完成了由单一品种到多品种的转变,形成了自主开发和引进国外技术相结合的格局。目前国内使用的清扫车主要为国产清扫车,其性能存在速度慢、清扫率低、舒适性差等缺点。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。
高速公路清扫车结构型式多种多样,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组成;二是集尘系统,主要工作部分为位于车体中上部的集尘箱。本文将着重分析集尘系统。
目前,国产公路清扫车的集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集尘箱与气路的结构设计,制造出物理样机进行测试[1],需要进行多次反复。集尘系统的除尘效果主要依赖于流场分布,而流场取决于集尘箱、气路的结构[2~3]。由于吸扫式清扫车集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除尘效果不好的缺点的原因。
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集尘系统进行仿真设计与优化,同步进行集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。
2清扫车集尘箱流场仿真建模
2.1物理模型
集尘箱是集尘系统的核心,集尘箱的结构直接决定了其流场分布,从而决定了集尘效率。图1为某实际清扫车集尘箱最初设计的结构示意图。清扫车工作时,从吸盘中吸入的垃圾随着高速气流一起进入集尘箱内,由于集尘箱体内部空间大,气流在集尘箱内速度迅速下降,当气流速度下降到一定程度,在重力的作用下,垃圾将会与气流分离并将沉降在集尘箱的底部,而气流则会经由集尘箱的顶部,在风机的作用下排出集尘箱,其中一部分气流被输送到吸盘作为二次回吹气流,另一部分则直接排入大气。为进行CFD分析,需要对集尘箱进行网格划分。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的部位进行网格细化,这样有利于增加计算结果的精确性。鉴于集尘箱结构的复杂性,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3,000,000量级。
图1集尘箱初始结构示意图
2.2数学模型
清扫车工作时,垃圾随气流从吸盘进入集尘箱,垃圾在集尘箱内沉降、堆积起来,气流则从出口进入风机循环。气流运动遵循以下方程: