基于CFD仿真的微型电动吸尘车抽吸系统的改进分析

詹晓华

(闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021)

0 引言

微型电动吸尘车作为一种新型的集吸灰尘、分离和运输为一体的高效除尘设备，具有零排放、低噪音、吸力强劲、清洁彻底、可靠耐用、无扬尘污染、节约水等优点。而吸嘴、反吹系统、灰箱等是吸尘车气路系统的关键部件，其结构对吸尘能力起到非常关键的作用。气流在以上部件中流动，流动的路径、管道阻力及产生的旋流等对吸尘效果具有重大影响[1]。分析气流的流动在整个抽吸系统中具有重要意义。在制造和工程领域，CFD流体分析主要应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题[2]。本文通过采用CFD仿真方式对微型电动吸尘车吸嘴、反吹系统及灰箱结构进行分析对比，为设计改进提供理论依据。

1 微型电动吸尘车抽吸系统改进思路

微型电动吸尘车的工作原理如图1所示。电机驱动风机排空气体形成真空负压，在负压作用下，含尘气流经吸嘴吸入气流管道，先进入灰箱，此过程中大颗粒灰尘会通过重力沉降与气流分离，之后进入滤筒进行过滤，以除去小颗粒灰尘，过滤后的洁净气流进入驱动风机，风机出口的气流分为两路，一路直接排出，一路进入反吹系统，反吹气流使地面灰尘扬起，提高吸嘴的抽吸效率。

上述工作原理分析中，如风机流量及负压一定时，气流管路阻力、降尘阻力、反吹阻力等因素是决定吸尘车工作效果的关键因素。为提高整台吸尘车的抽吸效果，本文提出如下改进思路，先根据现有一些吸尘系统的研究结果和经验设计，确定微型电动吸尘车吸嘴的吸尘设计风量。该风量首先能有效地将尘粒从地面吸起，且保证尘粒随气流在管路中顺利输运不发生沉降，以免堵塞管路。再对原有的设计方案进行管路阻力大小和反吹系统校核计算，以考察是否能够满足设计要求。最后重新设计吸嘴、反吹系统，并对灰箱结构进行优化改进，提高重力沉降的除尘效率，以减小滤筒的压力，同时还对气路提出改进方案，使反吹的气流不通过滤筒，可以大幅减小阻力。

2 微型电动吸尘车抽吸系统的分析

2.1 吸嘴吸尘风量设计

由于气路系统的阻力与风量的平方成正比，所需风机功率与风量的三次方成正比。若小幅地提高风量会导致所需风机功率的大幅提高，因此，风量不是越大越好，在能够满足吸尘需求的情况下，风量应尽量减小。

根据现有的研究成果，尘粒起动的临界风速可以由经验公式1近似确定，此风速可以看做吸起尘粒所需在地面达到的风速大小。

(1)

为了测试吸嘴附近地面的风速情况，设定风量为24 m3/min时的仿真结果如图2所示[3]，说明地面附近风速已经达到10 m/s以上，可以吸起直径2 mm以下的颗粒。由于所需风速随尘粒直径的增大而增大，所以考虑到经济性，设计最大吸尘直径不宜过大。

垂直管道中应保持一定风速以输运尘粒[4]，其大小与起动速度相当。在水平管道中，风速应比垂直管道略大，在较长的水平管道中，风速最好大于20 m/s。这是因为尘粒容易沉积在管道底部，反而比垂直管道中的尘粒更难输运。考虑到吸尘车使用的管道管径为140 mm，按管内风速20 m/s计算，所需风量约为18 m3/min。该风量虽已足够，但是为了提高吸尘效果，风量应在风机允许的情况下越大越好。根据现场情况分析，将设计风量取为24 m3/min。

此外，该理论分析的结果仅表明单个尘粒可以被吸起，但是当地面灰尘较厚时，如果车速过快，可能来不及将所有尘粒全部吸起。不过考虑到反吹系统的作用，实际吸尘效率也可能会优于分析结果。

2.2 反吹系统分析

依据计算流体力学方法对反吹系统进行计算模拟，用简化模型代替反吹系统。如图4所示，在反吹风量为总风量的四分之一(0.1 m3/s)时，模拟得到的系统阻力高达4 900 pa，显然现有的风机难以提供如此大的阻力。这个现象主要是因为该系统的喷头过多，喷头出口狭窄，产生了巨大的摩擦阻力。实际使用过程中，如果不对风机出口做任何处理，反吹系统中几乎没有风量。如果堵住风机出口，强迫部分气流进入反吹系统会导致整个系统阻力过大，达到8 000多pa，远高于风机可以提供的压力。

表2 各编号喷口的风量

此外，原反吹结构存在流量不均衡的问题，在图3中，各编号喷口的风量如下表所示。

从表2的数据可知，距离主管的距离越近，流速越快。距离主管远的部分，由于部分空气已经从前面的喷口喷出，流量变小，导致管内流速变小，进而管内压强变大，所以流量反而增大。其中距离主管较近的4号喷管喷气量几乎为零，甚至可能出现吸气现象。因此，原有设计方案如果使用4 kW风机，在不使用反吹系统的情况下，可以基本满足吸尘需求。

2.3 改进方案

2.3.1 吸嘴部分

原设计的吸嘴可以基本满足吸尘要求，将对部分结构加以改进以进一步减小气流阻力。由于原设计中最可能导致阻力过大的部分在圆管的入口处，原设计中吸嘴结构的数值模拟结果如图4所示，图中显示了吸嘴结构内部气流流线，三个喷嘴的气流在圆管入口汇合产生漩涡，漩涡的产生会导致流体的内摩擦增加，导致了较大阻力。此外，灰尘在此漩涡中容易沉积，堵塞管道[5]。

改进思路主要是将圆管入口处来自不同吸嘴的气流先导引至圆管方向再汇合，可以避免反方向气流的对撞导致的能量损失，改进吸嘴结构的CAD模型如图5所示。气流经过一段弯管的导引，转向到圆管方向，最大限度地保留了气流的动能。

从图6可以看出，装置改进后，圆管入口的气流平滑过渡，相应的阻力也从1 700 pa大幅下降到1 000 pa。

2.3.2 反吹系统

由于原反吹系统无法保证各喷头流量相同，且管道直径过小，导致阻力极大，达不到反吹效果。若采用多个喷头，则主管道的形状必须精心设计才能够保证流量均匀，这种设计成本过高，所以最好仅采用一个或两个喷头。由于要保证一定的喷气宽度，使用两个狭缝喷头最合适，优化方案如图5所示，与吸嘴类似，使用两个狭缝形喷嘴。同时为了保证反吹能够起到效果，气流必须达到一定速度，该速度需大于尘粒的启动速度。在喷气风量有限的情况下，喷口的截面积一定要尽可能小[6]。但是，过小的截面积会导致阻力急剧上升，因此，在远离喷口的部分，管道应该尽可能粗，到达喷口后才收缩成预定的面积大小。

吸嘴和喷嘴的组合方式(主视图和左视图)如图8所示，该组合方式所占空间并不大于原设计，不影响安装。同样对喷嘴进行数值模拟分析，在反吹风量为25%总风量(0.1 m3/s)时，反吹喷口处速度可达15 m/s以上，完全可以达到效果[7]。反吹气流的流线分布如图9所示，反吹喷口附近的气流速度大小分布如图10所示。

2.3.3 灰箱

由于滤筒产生非常大的阻力，若能最大限度减小进入滤筒气流的含尘量，则可以有效减小滤筒的阻力，延长滤筒的使用寿命。因此应对灰箱进行改进，以使其起到一次除尘的作用，最大限度地除去气流中的较大颗粒。目前常用的预除尘方式有重力沉降式、惯性式、旋风式三种，重力沉降法需要空间较大，不适宜用在小型车辆上；旋风式除尘效果最好，但是工艺复杂，且阻力较大；综合考虑选用惯性式除尘方案最为合适。如图11所示为使用惯性除尘方案的灰箱结构图，在灰箱内加入一块“人”字形挡板。

对这使用惯性除尘方案的灰箱进行运动模拟，模拟结果如图12所示，模拟458个直径为50 μm的尘粒从入口流入，气流受挡板影响向两边分开，但是尘粒由于惯性作用保持向前，直到挡板的尖角区域，被挡板阻挡。由于此处的气流速度较慢，尘粒在这里与气流分离向下沉降到灰箱底部。部分尘粒随气流向上流出后绕过挡板，由于流速下降，在重力作用下也沉降于灰箱底部。少部分尘粒未能沉降，随气流流出灰箱，最终将被滤筒过滤。

表3显示了不同粒径的灰尘的清除效率，可见，对于100 μm以上颗粒可以基本除尽，对于50 μm以上颗粒除尘率可达90%以上。灰箱重新设计后，阻力增大，约为778 pa左右，较之前升高了约300 pa，但提高了除尘效率。

2.3.4 一种新的气路方案

原气路设计如图1所示，所有气流经由吸嘴吸入后都经过滤筒后进入风机，该种管路长，不仅会加大滤筒的阻力，而且也加大了滤筒的流量，因为用于反吹的气流最终会被吸嘴吸回，因此可以不考虑过滤。同时为了保证反吹系统的流量，风机出口处必须人为堵住一部分，以提供与反吹系统相同的阻力[8](约629 pa)，否则气流不会进入反吹系统。因此为了解决这些问题，提出了一种新的方案，如图13所示。风机出来的风分为滤筒和反吹系统两路，两路的阻力大小相近，可以保证反吹系统的风量。气流从风机出来后，只有不参与反吹的气流才经过滤筒，减小了滤筒阻力。若反吹风量为25%，滤筒阻力可减小到原来的56%。

3 结论

本文利用CFD软件模拟仿真方式，对微型电动吸尘车抽吸系统中的吸嘴、反吹系统、风道、灰箱等重要部件进行流体仿真分析。通过仿真对比，提出吸嘴采用导引加反吹方式，保持吸嘴口处的流体动能，有效提高抽吸能力。并通过数值模拟计算，在带导引加反吹方式下，气流分两路，通过设计分流管道大小保持阻力均衡，检验改进方案的效果，通过模拟计算反吹量控制25%时，滤筒阻力只有原来56%。阻力减少值大于反吹风量减少值，证明该种仿真模拟有效提高吸嘴性能。同样，在分析灰箱结构后，提出采用惯性降尘法进行除尘，通过仿真模拟检验，对于100 μm以上颗粒，除尘率也达到99.3%，检验证明该方式能有效提高降尘效率。在以上模拟仿真分析后，进一步提出一种风机双向分流供给反吹系统和滤筒的平衡利用方式，大大减小原来的流体内循环阻力，提高整个抽吸系统的效率。采用CFD模拟仿真分析方式，为实际优化改进提供有效的理论依据，对实际生产提供较大帮助。