3初始集尘箱流场的CFD分析
初始集尘箱的物理模型如上图1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。计算过程中求解N-S方程,采用k-ε双方程湍流模型,离散方法采用有限体积法(FVM)。图2~图3是集尘箱体内部速度等值线图,从图中,可以得到如下结论:
1)气流从与吸盘连接的管道中高速流入集尘箱内,在集尘箱内受到圆弧挡板的影响,在该部位形成一个大涡。从图中可见,该部位处速度仍然很高,这是因为圆弧挡板起到了倒流的作用而没有使气流降速。
2)同时由于圆弧挡板的作用,致使气流沿挡板改变方向,直接吹往集尘箱底部,导致气流将集尘箱底部的垃圾重新吹起来,容易造成二次污染。
3)从图2与图3对比可以发现,由于在图2中存在着从吸盘流入的气源,所以在导管附近出现了30m/s以上的较大速度,而图3中最高速度则出现在集尘箱体中的圆弧挡板的底部,且最高速度为20m/s。
4)在图3中,由于圆弧挡板中心存在着一个缺口,所以在该圆弧与方形挡板之间存在着的低速区域小于图2中的低速区域。
5)通过图2与图3还可以知道,在集尘箱底部沉降区域,存在较高速度区域,图3中该区域的最高速度达到了10m/s以上,而在图2中,由于较长的圆弧挡板,该区域速度达到了16m/s。
由此可见,该集尘箱体结构十分不合理。一方面垃圾只能堆到不超过圆弧挡板和垃圾气流入口的位置,这明显造成了极低的集尘箱容积利用率;另一方面,集尘箱体底部有较大的气流速度,这影响垃圾的堆积。同时,当垃圾逐步堆积的过程中,由于气流的出路越来越窄,势必加大靠近垃圾堆部位气流速度,进一步影响垃圾堆积,并可能造成二次污染。
4集尘箱体的CFD结构优化
为了改变这种不合理的结构,我们对集尘箱体的结构进行了一系列的优化,其目的有三:
1)提高集尘箱体的容积利用率;
2)降低在靠近底部位置的气流速度,有利于垃圾的沉降与堆积;
3)提高气流在集尘箱内部的停留时间。
图4为优化后垃圾箱结构示意图,与原设计相比,集尘箱体做了如下结构上的改变:
1)提高吸盘至集尘箱体内部的管道高度;
2)将圆弧挡板更换为一较小垂直挡板。
图5与图6分别为优化结构后中心剖面与距离中心0.5m处剖面的速度等值线图,从图中明显可以发现:
1)高速气流主要集中在从吸盘导管的出口处与集尘箱内部挡板处,而且高度气流所占面积很小;
2)离开内部挡板后,气流速度迅速下降到12m/s以下;
3)在集尘箱体内部大部分区域,气流速度比较均匀,相对于不均应气流,其最高气流速度较低,这有利于垃圾与气流的分离;
4)在集尘箱体的底部,仅有少部分气流速度达到了8m/s以上,远远低于在优化设计之前的最大20m/s以上速度的水平,这也有利于垃圾在该部位的堆积;
5)与优化设计之前相比,图左边的底部的容积也被有效利用起来,该区域不再被当作气流的通道,也成为了垃圾的沉降区域,这将延长气流和垃圾在集尘箱体内部的停留时间,有利于垃圾与气流的分离。
5结论
本文结合工程实践,讨论了CFD在高速公路清扫车数字样机集尘箱性能分析中的应用,根据对不同结构的集尘箱进行分析比较,得出以下结论:
1)CFD数值仿真技术是对清扫车数字样车集尘箱进行性能分析的有效手段;
2)利用CFD数值仿真技术,在高速公路清扫车物理样机生成前获取了集尘箱体沉降效果的特性,是对数字样车的气路系统进行性能分析的有效手段。
3)通过CFD仿真进行设计方案评估选择,避免了设计反复,明显加快产品研发速度,缩短产品研发周期,并极大的降低了成本。
参考文献:略