摘要:运用计算流体力学(CFD)软件对清扫车集尘箱吸尘系统进行数值模拟,仿真采用非结构网格对吸尘系统进行网格划分,运用标准k-ε方程作为湍流计算模型。通过分析集尘箱内气流速度与压力分布特性,得出影响气流不合理分布的因素,结合理论基础与经验设计对集尘箱结构进行改进,在保证高的吸送速度的同时尽量降低过滤速度,以降低能量损耗、提高清扫效率,对清扫车的设计与生产具有实际的指导意义。
关键词:真空清扫车;吸尘系统;数值分析与优化
中图分类号:TH6文献标识码:A文章编号:1006-4414(2009)03-0068–03
1引言
随着我国经济的快速发展和城市对环境卫生质量要求的不断提高,城市清扫作业机械化程度越来越高,清扫车拥有了越来越大的市场空间和发展前景。清扫车按其工作原理可分为扫刷式和真空吸扫式两类,而真空吸扫式清扫车因其具有工作速度快、环境污染小等优点,已成为当今路面清扫车的发展方向[1]。对于真空清扫车,气路系统是其核心部分,气路系统性能的好坏直接影响着清扫车的性能和清扫效率,因此,气路系统的设计至关重要。
计算流体力学(CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科。通过计算机数值计算和图像显示的方法,在时间和空间上定量描述流场的数值解,从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实践性的双重特点,建立了许多理论和方法,为现代科学中许多复杂流动和传热问题提供了有效的计算技术[2]。运用CFD软件对清扫车气路系统进行数值模拟,可以获得其内部流场分布特性,将对系统结构的设计与优化起到指导性的作用。
2集尘箱工作原理及气路系统组成
2.1工作原理
此前装卸式真空清扫车的集尘箱位于车体前部,其主要工作原理为扫-吸结合,即先利用盘刷和滚刷共同工作将路面垃圾扫至吸口区域,再利用风机吸气口端的负压将垃圾吸入料箱,垃圾进入料箱后一部分较重的垃圾沉到箱底,较轻的垃圾如灰尘等则与气流一起进入滤网,尘粒被截留或粘附在滤网中,洁净气体则被引风机吸走,最终排出大气。集尘箱的结构如图1所示。
图1集尘箱结构图
2.2气路系统
如图1所示,清扫车的气路系统包括吸尘系统和除尘系统两部分。吸尘系统主要由吸口和沉降室组成,除尘系统主要包括过滤器和风机。清扫效率的高低主要决定于以上两大部分的设计。除尘系统的主要部件均为外购件,因此,在风机功率和过滤器性能一定的情况下,吸尘系统对清扫效率的高低起着决定性作用,吸尘系统的速度直接影响着吸尘效率。每种垃圾都有自己的起动速度,只有吸送速度超过起动速度值才能将其吸入集尘箱,质量越大,起动速度越大。
一般吸扫式清扫车的最大吸入粒度应不小于15mm3。因此,为达到一定的吸送效率,一般要求平均吸送速度:15m/s≤v≤40m/s;同时,吸尘系统的速度对除尘系统的性能也有着很大的影响。由达西定律可得通过过滤器时的压力损失[3]:
式中:Δp为通过介质的压力损失;v是垂直介质表面的速度分量;k为滤网的渗透率;μ为层流流体粘性;Δm为薄膜厚度;G为压力跳跃系数。
由式(1)可知,压力损失与过滤速度的平方成正比,而吸尘系统速度越高,过滤速度也越高,压力损失越大。因此,我们必须合理设计吸尘系统结构,保证足够的吸送速度,吸起不同质量垃圾的同时,尽量降低过滤速度,减小系统压力损失、降低损耗。
3模型的建立
3.1数学模型
流体的运动一般都遵循三个基本的守恒定律,即质量守恒、动量守恒和能量守恒。为利于计算,本文对模型进行了以下简化。
(1)实际的清扫过程为多相流问题,所需清扫的垃圾具有多样性,不可能一一建模,且空气为垃圾的运输载体,两者的流动路线基本一致,故模拟时做单相流处理。
(2)对吸尘系统忽略传热。
(3)气流速度较小(Ma<0.3),可视为不可压缩流动。
则系统的气流运动遵循以下方程[4]:
连续性方程(质量守恒):
式中:GK表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生;Gb表示由于浮力影响引起的湍动能产生;YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响;μt为湍流粘性系数。