城市道路洗扫车降尘率仿真研究.pdf

第3 1 卷第1 0 期计算机仿真 2 叭4 年1 0 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 4 ) l O 0 1 9 l 一0 5 城市道路洗扫车降尘率仿真研究 云现杰，杨忠炯，周立强，李洪宾 ( 中南大学机电工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ) 摘要：对城市道路洗扫车沉降室内部结构进行优化能有效提高洗扫车的性能。研究了沉降室结构参数对降尘率的影响规 律。利用s o l i dw o r l c s 软件建立沉降室模型，采用A N s Y s c F ) 【及k 一双方程模型对沉降室内部流场进行分析及仿真优 化，讨论各参数对降尘率的影响规律，然后采用气固两相流理论对其进行仿真验证。结果表明：优化后的沉降室内部结构大 大减小了集尘箱尾部和出风口前部的气流速度，提高了降尘效率，为洗扫车沉降室的设计提供了依据。 关键词：沉降室；计算流体力学；沉降性能；影响规律；气固两相流 中图分类号：1 r I “8文献标识码：B S i m l l l a t i o nS t u d yo nD 吣tR a t eo fU r b 锄R o a dS w e e p e r Y U NX i a n j i e ，Y A N GZ h o n g j i o n g ，Z h O UL i q i a n g ，UH o n g b i n ( C o l l e g eo fM e c h a r I i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a ls o u t hU n i v e r s i t y ，C h a J l g s h aH u n a n4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：T h ep e d b 册明c eo fu r b a r Ir o a ds w e e p e rc a nb ei m p r o v e db yo p t i “z i n gt h ei n t e r i o rs m l c t u r ep a 珊n e t e r s o fs e t t l i n gc h a m b e r T h ei n n u e n c em l e so fs t m c t u r ep m m e t e r so ft I l es e t i n gc h 帅b e ro nt 1 1 ed u s tr a t ew e r ei n v e s t i - g a t e d S o l i dw o r k sw e r eu s e dt ob u i l dt h ep h y s i c a lm o d e lo fs e t t l i n gc h a m b e ri nt h i sp a p e r ，A N S Y S C F X 粕dk 一8 t w o e q u a t i o nm o d e l sw e r ea l s ou s e dt o 粕a l y z ea n do p t i m i z et h en o wf i e l di nt I l ed u s tc o l l e c t i o nc h 枷b e rr e s p e c t i v e - l y T h e nt h ei 1 u e n c em l e s t h ep a r 蛐e t e r so fs e t i n gc h 锄b e ro nt h ed u s tm t ec h 锄c t e r i s t i c sw e r ed i s c u s s e d F i n a l l y ，b a s e do ns i m u l a t i o n ，w eu s e dt l eg 鹊一s o l i dn o wt I l e o r yt ov e r i 母t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s T h ea n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a tt h eo p t i m i z e ds e t d i n gc h a m b e rs t l l l c t u r ec 粕r e d u c et h ea i m o wv e l o c i t yo ft h ed u s tb o xt a i l 龃dt l l ef m n to f t h eo u t l e tg r e a t l y ，a J l di m p m v et h ee m c i e n c yo fd u s t ，w h i c hc a np m v i d eab a s i sf o rt h ed 鹤i 印o fs e m i n gc h a m b e r K E Y W o R D S ：S e t d i n gc h a r r I b e r ；C F D ；S e m i n gp e 而m a I l c e ；I n n u e n c el a w ；G a s s o l i dn o w 1 引言 城市道路洗扫车( 以下称洗扫车) 是一种利用风机产生 的负压工作的新型环卫清扫车辆，其核心是气路系统。气路 系统主要由吸尘系统和除尘系统组成，而吸尘系统主要由位 于底盘下部的洗扫机构和吸盘组成；除尘系统主要由位于底 盘上部的重力沉降室( 以下称沉降室) 和负压风机组成。沉 降室是除尘系统的关键部件，它的结构参数对洗扫车的除尘 效率、风机排放及工作可靠性有着至关重要的影响。目前， 国内一部分学者进行了探索性研究，文献对全吸式干湿两 用扫路车的沉降室流场进行了仿真分析，通过改变不同挡板 布置形式，对结构进行优化改进；文献 2 对真空吸尘车的沉 基金项目：国家“9 7 3 ”重点基础研究发展计划资助项目 ( 2 0 1 3 C B 0 3 5 4 0 0 ) 收稿日期：2 叭3 1 2 2 8 修回日期：2 0 1 4 0 l 一2 8 降室流场进行了分析，通过抬高气道高度，将圆弧挡板改成 小圆弧过渡的垂直挡板，以及适当加长沉降室空间，得到一 个比较好的气路优化模型。文献 3 和文献 4 对吸尘系统 和除尘系统组成的气路流场进行仿真分析。 上述研究成果对沉降室的设计和生产实践有着重要的 指导意义，但均没有对沉降室结构参数对粉尘沉降性能进行 研究。为此，本文基于k 一双方程模型，研究沉降室结构参 数对降尘率的影响，对沉降室结构参数进行优化，并用仿真 的方法验证优化结果的合理性。 2 沉降室结构和数学理论基础 2 1 沉降室结构 图1 为国内某型洗扫车沉降室安装位置和结构示意图， 主要由进风管、挡尘罩、集尘箱、出风口组成。其尺寸为长 宽高：2 4 9 0m m 1 4 7 0m m 1 4 2 0 咖，底板和两侧壁下部 均倾斜一定角度，利于尘粒向尾部聚集。其中B 为挡尘罩宽 一1 9 1 万方数据 度，L 为挡尘罩长度，定义宽长比i 。= B L ；H 为进风管出口 距挡尘罩底部距离，0 【为挡尘罩收缩角，B 为挡尘罩前倾角。 受限于沉降室的内部空间，进风管的倾角固定为6 5 。 蔓! 蛮 | | 一 弋= ! 一、= 7 图l洗扫车沉降室安装位置和结构示意图 采用I c E M c F D 划分网格，网格类型采用四面体非结 构化网格。划分网格结果如图2 所示，网格单元数量达到 1 2 9 8 2 0 2 个。 图2 沉降室计算网格模型 2 2 数学理论基础 洗扫车降尘率的优化难点在于其作业对象具有多样性， 从碎石块到沙粒、灰尘、树叶、积水等情况各异，包含气相、液 相和颗粒相，属于多相流动问题。针对这一难点，本课题主 要进行沉降室内流场分布情况对颗粒相沉降效果的研究，假 设颗粒相不发生形状变化，与气相不发生耦合，故可以将其 简化为气、固两相流动问题，即连续相的空气和离散相的颗 粒流动问题。 由于沉降室箱体密封，气体由进风管吸人，并由出风口 进入风机，这一过程气体的流动必须遵守质量守恒定律和动 量守恒定律。 2 2 1 流场方程 1 ) 连续性方程 在此数学模型中空气属于连续相，因此在连续相的计算 过程中，首先要满足连续性方程。 等+ v ( p y ) = o ( 1 ) o 式中卜空气微元的滞留时间一 一】9 2 一 p 一空气的密度，培m 3 ； 卜空气的流速，矶； 2 ) 动量守恒方程 其本质在于满足牛顿第二定律：对于给定的空气微元， 其动量随时间的变化量等于外界作用在该微元上的各力 之和。 p 筹+ p ( I ，V ) 阽一V P ，+ V ( 肛酊V y ) + V 。( 肛够( V y n ( 2 ) 其中校正压力 P = 尸+ ( 等一f ) V y ( 3 ) 式中P 一内部静压力，p 口； 弘一空气粘度系数，取1 7 9 1 0 “P o s ； 卜空气粘性系数，取1 4 6 l 1 0 m 2 ； p 毋一有效粘性系数。 3 ) 标准七一占双方程 空气在沉降室中的流动属于高雷诺数的湍流流动，因此 控制方程选择标准| | 一占双方程模型。 筹+ V ( 删一V ( ( 肛+ 尝) 吼) = P 叩( 4 ) 筹州p 昭) 一V ( ( p + 譬) V s ) “铲一锄等 ( 5 ) 式中_ | 一湍动能； s 一湍动能耗散率； 盯。、盯。一湍流普朗特常数； C 1 、c 2 一常数，取C l = 1 4 ，C 2 = 1 9 2 。 4 ) 颗粒相数学模型 清扫作业过程中的颗粒视作离散相，假定颗粒之间相互 作用以及颗粒相体积对连续相的影响忽略，本文采用欧拉一 拉格朗日离散相模型，颗粒运动方程为： 鲁= 厶( ”u ，) + 以p P p ) p p + 五 ( 6 ) 式中正一附加加速度合力项，o 戤( 砟一p ) p ，一重力与浮力的合力，； 厶( u u 。) 一单位颗粒受到的阻力，； “一气相速度，眺； 旷气相密度，培m 3 ； u 。一颗粒相速度，m ； p 口一颗粒相密度，置m 3 。 2 2 2 尘粒启动速度 B a g n o l d 1 1 1 认为：当尘粒启动时，尘粒所受到的迎面阻力 和重力应平衡，据此提出了粒径大于0 0 8m m 的尘粒起动的 临界速度K ： K ：A 鲤旦 巫 ( 7 ) 万方数据 式中：凤一尘粒密度，培m 3 ； d 尘粒当量粒径，啪； g 重力加速度，s 2 ； A 经验系数。 根据标准Q C T5 1 2 0 0 6 ，扫路车吸人的最大颗粒当量 直径3 0m m ，n = 1 5 2 0g c ，1 2 ，查诺镆图和文献 7 ，当 气流速度y 3 5 ，s ，直径3 0m m 的颗粒悬浮速度为K = 1 9 2 ，s ，考虑到颗粒在倾斜管道运动，取气流速度E = 1 5 2 y 。 2 2 3 尘粒再飞扬速度 沉降室内的气流速度匕是沉降室结构设计的一个最重 要的因素，要求避免已沉降的尘粒因气流速度过高而引起二 次扬尘。 根据式( 5 ) 和文献 2 ，表l 给出部分尘粒再飞扬的气 流速度，在设计沉降室结构时，一般采用的气流速度是0 5 2m s 表l 尘粒再飞扬速度表 2 3 流场边界条件 使用A N s Y S c F x 软件分析时，选择速度人口和速度出 口边界条件，风机流量为】2 3 2 0m 3 h ，根据工厂实验车辆的 测试数据，入口速度为5 1 3n s ，出口速度为1 2 5r n s ，设定 参考压力为la t m 。 3 参数对沉降室流场的影响分析 分析挡尘罩收缩角a 、挡尘罩前倾角B 、挡尘罩宽长比 i B I 和进风管出口距挡尘罩底部距离H 对尘粒的沉降效果影 响。由于从进风管吸入的大部分含尘气流被挡尘罩引向集 尘箱尾部，尾部速度越小，尘粒就有足够的沉降空间和沉降 时间；另一小部分含尘气流被引向集尘箱前部，因此，出风口 前部的风速越小，则表明尘粒被气流带出出风口的机率越 小。因此，在利用A N s Y S c F x 进行流场计算分析时，选取 集尘箱尾部( x = 一1 2m ) 和出风口前部( x = 1 2m ) 两处， 通过考察此两处气流的最大速度来分析尘粒在沉降室的沉 降效果。由A N s Y s c F ) ( 计算出来的速度数值是用一定数 值范围的矢量图来表示的，分析时，对速度的取值可能会存 在一定的人为误差，但这对于把握整个沉降室内部流场的变 化趋势仍具有比较重要的指导意义。 3 1 挡尘罩收缩角a 设定挡尘罩挡尘罩宽长比i B L = 0 5 8 ( L = 8 5 0m m ) ，进风 管出口距挡尘罩底部距离H = 3 3 5m m ，挡尘罩前倾角B = 9 0 0 ，流场结果如图3 所示。 图3d 对气流速度的影响 从图3 可知：随着挡尘罩收缩角q 的增大，出风口前部 气流速先减小再增大再减小；集尘箱尾部气流速先减小再增 大。这是由于a 较小时，气流与集尘箱侧壁和后壁的折射部 位在下部，会对尾部形成直接的冲击影响，因此速气流度较 大；随着q 逐步变大，折射部位逐步上移，减少了对底层空间 的扰动，气流流速下降，当仪大于1 3 0 。后，挡尘罩的横截面变 得很大，此时两个挡尘罩流出的气流相互干涉成为主要影响 因素尾部气流速度开始增加；同时出风口前部气流速开始缓 慢增大，但处于较低数值。 3 2 挡尘罩前倾角B 设定挡尘罩宽长比i B L = 0 5 8 ( L = 8 5 0m m ) ，d = 1 3 0 0 ，进 风管出口距挡尘罩底部距离H = 3 3 5 蛐，B 的取值变化范围 为：8 4 。9 0 0 ，流场结果如图4 所示。 图4B 对气流速度的影响 从图4 可知：挡尘罩前倾角B 对出风口前部气流速度影 响不大，气流速度变化范围在0 7 - n s 内波动。这是因为B 这是由于当B 较小时，大部分气流被引向集尘箱尾部的上 一1 9 3 万方数据 层，对出风口前部和下层空间的扰动影响不大，因此，气流流 速也较小；随着B 逐渐增大，气流与箱壁的碰撞折射部位也 逐渐下移，对下层空间的扰动影响增大，速度也迅速增大；但 B 继续增大时，气流经后箱壁折射后又经侧箱壁倾斜板延 缓，速度开始下降，且在B = 8 8 0 时达到最小，当B 进一步增 大时，气流则直接和侧箱壁倾斜板相冲击，对底层空间形成 了二次扰动影响，因此，气流速度会开始缓慢增大。 3 3 挡尘罩宽长比i 。 设定挡尘罩收缩角d = 1 3 0 0 和挡尘罩前倾角B = 8 8 。，进 风管出口距挡尘罩底部距离H = 3 3 5m m ，初步选定L = 8 5 0 m m 。流场结果如图5 所示。 图5i B L 对速度的影响 从图5 可知：随着i B L 的增大，出风口前部气流速先缓慢 增大，又迅速减小，再增大的趋势；而集尘箱尾部的气流速则 是先减小，又迅速增加，再缓慢减小。这是由于当宽长比i 。 小于0 6 时，挡尘罩的横向尺寸较纵向尺寸对气流影响较 大，随着截面积的增大，挡尘罩内外的气压压力差减小，因 此，气流速度开始减小。宽长比i 。大于O 6 时，挡尘罩的长 度成为影响气流速度的主要因素，气压差开始增大，因此，气 流速度开始增大；当i 。大于0 6 6 时，压力差变得稳定，因 此，尾部气流速度也开始变得平稳，稍有波动。当改变L 的 数值后，可以得出相同的结论。 3 4 进风管出口距挡尘罩底部距离H 设定挡尘罩收缩角n = 1 3 0 0 ，挡尘罩前倾角B = 8 8 。，挡 尘罩宽长比i B L = O 6 ，进风管出口距挡尘罩底部距离H 的取 值变化范围为2 8 5 4 3 5m m ，流场结果如图6 所示。 从图6 可知：随着H 的增大，出风口前部的气流速度呈 现先减小后增大的趋势，这是由于气流从进风管流出后，呈 发散辐射状，将带动周边空气扰动形成涡流，距离在一定范 围内越小，产生的涡流越小，出风口前部的气流速度也越小， 但H 进一步减小时，由于挡尘罩内气压将会变大，气流从挡 尘罩流出的速度将增大，这将导致出风口前部气流速度增 大。同时，集尘箱尾部的气流流速变化情况是：进风管出口 距挡尘罩底部距离H 在一定范围内变化对尾部的气流速度 一】9 4 一 图6H 对速度的影响 影响不大，但当H 大于3 4 0m m 左右时，尾部气流速度开始 迅速增大，这是因为H 较小时，气流对集尘箱尾部的大空间 扰动影响不明显，随着H 的增大，气流的发散扰动效应逐渐 影响到尾部空间，使得气流速度迅速增大。 4 优化后的沉降室流场分析 4 1 物理模型 根据上文各参数对粉尘沉降性能的数据分析，提出一种 优化后的重力沉降室模型，挡尘罩收缩角0 【= 1 3 0 0 ，前倾角B = 8 8 。，挡尘罩宽长比i B L = O 6 ，进风管出口距挡尘罩底部距 离H = 3 4 0m m ，如图7 所示。为了验证沉降室优化后的沉降 效果，对其内部流场进行计算分析，并对固相的运动沉降轨 迹情况进行模拟。 图7 优化后的沉降室模型 4 2 气相分析 图8 所示为优化后的重力沉降室内部流线分布图。 图8 优化后的沉降室整体流线 帅 删 帅 m 一 一 一 一，艘r | “ m m _ L ” 万方数据 厂V 0 8 0 6 O 。4 o 2O0 2O O 6O 8 、m 图9 优化后的沉降室两处气流速度 从图8 可知：气流从进风管平顺进入集尘箱内部，经挡 尘罩引流后，大部分被引向集尘箱后部，且流线平滑无涡流， 因此，能量损失较小，利于提高沉降效率，消除内部二次扰 流；另一小部分气流被引向出风口前部，气流在进风管周围 形成局部涡流，这是由于进风管与箱壁之间距离较小所致， 对尘粒的沉降影响不大。从图9 可知：集尘箱尾部气流最大 速度为1 2 - n s ，低于要求设计值2 n s ；出风口前部气流最 大速度为4 6 n s ，低于尘粒二次起跳的速度，不会将尘粒排 出风机出风口，带来排放超标现象。因此，可以看出，两处气 流风速均符合尘粒沉降的速度要求。 4 3 颗粒相运动轨迹 据相关资料统计，沉积在城市道路上的大部分尘粒当量 直径大于0 0 l 姗，例如工业粉尘的当量直径为O 1 1 7m m 。 因此可以认定：若当量直径为O 叭m m 的尘粒可以顺利沉 降，则更大直径尺寸的尘粒亦能沉降。图l O 为直径O 0 l m m 的灰尘颗粒在重力沉降室内部的沉降运动轨迹图。 从图1 0 可见，直径0 O lm m 尘粒在经优化后的挡尘罩 整流引导下，速度迅速减小，与后厢壁碰撞后，顺利沉降积累 于尾部倾斜板上，以在集尘箱尾部。同时，由于尾部气流最 大速度和出风口前部气流最大速度均低于设计指标，不会带 来已沉积的尘粒重新起跳，带来二次污染和风机排放口排放 超标的问题，满足洗扫车的性能要求和排放要求。 - 吾兰L ：芦。r 图1 0 直径0 O l 姗的灰尘颗粒运动轨迹 5 结论 1 ) 挡尘罩收缩角d = 1 3 0 。和前倾角B = 8 8 。时，有利于降 低集尘箱尾部气流，增加粉尘颗粒的沉降时间； 2 ) 挡尘罩的宽长比i 。在0 6 左右时，含尘气流在挡尘 罩的导流作用下被引向目标沉降空间，且降低出风口前部的 气流速度，减少风机出风口的尘粒外排放量； 3 ) 进风管出口距挡尘罩底部距离H 在3 加m m 左右时， 既减小集尘箱内部气流速度，又降低了气流对挡尘罩的冲 击，延长其使用寿命，降低使用成本； 4 ) 优化后的沉降室灰尘颗粒的沉降效率，比优化前提 高1 0 。 参考文献： 1 李成林全吸式干湿两用扫路车关键技术研究 D 江苏科技 大学。2 0 1 2 2 孙勇真空吸尘车气路系统优化设计与仿真分析 D 东北大 学2 0 0 8 3 徐云，等计算流体力学在清扫车仿真分析中的应用研究 J 系统仿真学报，2 0 0 4 ，1 6 ( 2 ) ：2 7 0 2 7 3 4 曾广银，等公路清扫车吸尘系统仿真设计 J 系统仿真学 报，2 0 0 4 ，1 6 ( 1 2 ) ：2 7 7 0 一2 7 7 3 5 李必红真空吸尘车气路系统的结构设计和优化 D 上海交 通大学，2 0 0 6 6 谢龙汉，赵新宇，张炯明A N s Y sc F x 流体分析及仿真 M 北京：电子工业出版社，2 0 1 2 7 倪奕金，张丽扫路车气力输送系统设计专用汽车 J 2 0 0 9 ，( 8 ) ：5 0 一5 2 8 w uB 0 f u ，M e nJ i l l l i ，c h e nJ i e N 岫e r i c a ls t u d yo np a r t i c