小型纯电动扫路机流场性能分析

黄秋芳

福建龙马环卫装备股份有限公司 福建龙岩 364028

为了弥补国内市场上因扫路车普遍体积大而无法在狭小区域作业的不足，小型扫路机应运而生。扫路机因为体积小，机动灵活，清扫能力强，可快速清扫落叶、石子、沙尘、白色垃圾等优势，在城市辅道、狭窄道路、公园等区域有着充分的优越性和适应性。因此，扫路机具有良好的发展空间和市场前景。因此，针对扫路机气力输送系统的研究和探索，既有重要的科研价值，又有一定的社会效应和经济效益[1]。

目前，用数值模拟方法研究气力输送系统内部流场已成为改进和优化扫路机设计的一种重要手段。本文拟对扫路机气力输送系统典型工况下的内部气体流动进行数值计算与分析，获得气力输送系统内的速度场、压力场，并分析吸嘴、垃圾箱等结构对流速分布、压力分布以及吸尘性能的影响，以提出气力输送系统吸嘴、垃圾箱等结构的优化方案。

1 有限元建模

利用有限元分析软件建立小型扫路机的有限元模型如图1所示。采用非结构化网格，扫路机的基本网格大小选取15 mm；对于吸尘盘、风管及垃圾箱气流存在分离处网格适当加密，网格尺寸为10 mm；局部细节特征如风机、导流板廓线和通气孔尺寸为8 mm；进出口以及壁面网格尺寸为200 mm，有限元模型的总网格数约为1 922万。

图1 有限元模型

2 求解

2.1 边界条件

将生成的有限元模型导入到计算流体力学软件中进行边界条件设置，由于进风口与出风口处的压力、流量、速度均未知，气流运动情况比较复杂，因此在吸尘盘进风口四周建立气流扩展区。为了避开设定出入口条件的困难，将气流扩展区的出入口相对静压力设定为零（初始流场外界压力设置为1个大气压）。该小型扫路机选型风机全压为3.8 kPa，工况取风机压升为3.5 kPa，具体参数设置如表1所示。

表1 边界条件及设置

2.2 计算模型

本次计算采用雷诺时均湍流模型，源项和扩散项计算采用二阶中心差分格式，壁面函数采用标准壁面函数求解，使用SIMPLEC算法进行数值求解。

3 计算结果与分析

3.1 扫路机吸尘能力分析

扫路机吸尘能力主要决定于吸嘴处与地面间隙四周的风速分布情况，故对间隙处风速进行分析，如图2所示。

图2 吸嘴进风截面处风速示意图

从图2可知，当风机压升到3.5 kPa时，靠近管口位置最高风速可达37.21 m/s；吸嘴四周风速大部分在28.94 m/s。颗粒拾取能力为评价扫路机吸尘能力最重要的指标，该小型扫路机设计要求需能拾取直径为15 mm，密度为2 000 kg/m3的颗粒。基于尘粒起动理论[2,3,4]可知，直径10 ～15 mm的颗粒悬浮速度为22.24～27.24 m/s，从图3所示吸嘴四周风速情况可知：在3.5 kPa时，吸嘴前端的风速为24.81～28.94 m/s；吸嘴两侧中间风速为20.67～24.81 m/s；靠近管口位置最高可达37.21 m/s；吸嘴四周大部分风速为28.94 m/s。因此，在3.5 KPa时，可以稳定吸拾粒径为15 mm，密度为2 000 kg/m3的球形颗粒；最大可吸拾粒径为28 mm，密度为2 000 kg/m3以下的球形颗粒，该项参数通过分析符合设计要求。

图3 吸嘴压强云图

3.2 扫路机气力输送系统分析

3.2.1 压强云图分析

气力输送系统前后压强差形成的压差阻力阻碍气体流动，影响尘埃颗粒的输送。通过压强云图观察各部件截面表面，由此得知气力输送系统内部压力分布，对结构设计优化指明方向。

风管的云图分析如图4所示。因受吸嘴上方负压区影响，与吸嘴连接处形成两个突变较大的负压区，故存在着速度的突变，同样造成能量的损耗，并降低吸尘效率。因风管变径难度较大，可在风管与吸嘴连接处将吸嘴部分做成倒喇叭口状，使速度突变变得平缓，以降低能量损耗。

图4 风管压强云图

垃圾箱的云图分析如图5所示。靠近风机区域存在着突变的负压区，形成剧烈漩涡，有利于消耗尘粒动能，在垃圾箱内沉降。

图5 垃圾箱压强云图

垃圾箱盖的云图分析如图6所示。由于气流在风机出风后撞击到引风罩，导致压强发生突变，阻碍气体排出箱盖外；同时，引风罩与箱盖侧板存在狭小空间，在此区域会形成较大的负压区，不利于气体排出垃圾箱。可适当增大引风罩与箱盖侧板间距，降低垃圾箱排风阻力。

图6 垃圾箱盖压强云图

3.2.2 速度流线图分析

通过速度流线图观察气流在扫路机的流动与分布情况，比较理想的气流流动特点是气流紧贴截面平滑流动而不产生分离。

由尘粒启动理论可查到对应颗粒直径下的悬浮速度，若要吸拾起颗粒，气流速度应是其悬浮速度的1.5～2倍。图7为吸嘴截面速度流线图。

图7 吸嘴速度流线图

由图7可知，气体在吸盘中间形成涡流，靠近边缘的区域速度剧烈变化，造成尘粒运动的絮乱，带来能量的损耗和浪费，这是由于吸盘进风口狭小所致的速度聚变，但在风管下方区域，气流速度基本能达到设计要求。

图8为风管速度流线图。由于存在手工吸尘装置的风管，且手工吸尘装置风管直接与主风管相连，气流在连接处产生能量损耗，导致主风管上层出现速度下降的现象。可考虑将手工吸尘装置设计成快插形式，需要使用时便可快捷接

图8 风管速度流线图

图9为垃圾箱速度流线图。从图中可以看到，垃圾箱内存在多处涡流，不利于尘粒的沉降，存在着尘粒重新被扬起的可能。

图9 垃圾箱速度流线图

图10为垃圾箱盖速度流线图。由图可知，风机后面存在着不少的气流，并形成死区，无法排出箱盖外。可在结构上将该区域连接至排风口或直接隔断该区域，提高风机效率。

图10 为垃圾箱盖速度流线图

4 结语

通过对小型扫路机进行流场分析，将各个截面的流场数据计算量化，指出气力输送系统设计中吸嘴、风管、垃圾箱等结构的不合理处，为扫路机气力输送系统的后续设计及改进提供了坚实的理论基础和研发方向。该扫路机气力输送系统和重力沉降系统具有更小的负压差、能量损耗、较大的进风口贴地风速和达标的风机出口气体排放。