卢振伟1 吴军委1 何子燚2 李敏1
1．三一重工股份有限公司 湖南长沙 410100
2．汉阳专用汽车研究所 湖北武汉 430056
摘要：采用计算流体力学(CFD)的方法对国外两款吸扫式清扫车的流场性能进行了仿真分析。建立了流场几何模型，选择非结构化网格对模型进行了网格划分，采用k-ε湍流模型，并施加适当的边界条件后，利用FLUENT软件对模型进行数值计算，为国内清扫车流场的优化设计提供了理论依据和数据支持。
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关键词 ：清扫车 流场 仿真 FLUENT CFD
中图分类号：U469.6+91.02 文献标识码：A文章编号：1004-0226(2015)08-0092-05
1前言
近年来，我国城市现代化建设进程不断加快，对环卫作业机械化程度的要求越来越高，因此道路清扫车等环卫车辆的需求量也日益增加。
我国于20世纪80年代开始研制、生产道路清扫车，已有30多年的历史，但相对于发达国家，国内清扫车在整机性能、人性化和可靠性方面仍存在较大差距。国外发达国家从20世纪40年代就已批量生产扫路车，在吸尘效率方面，国外的扫路车有很大优势，主要体现在吸口和垃圾箱的优化设计上，使其流场分布更加合理且能量损失减少。
国内部分清扫车由于流场设计不合理，导致垃圾箱内降尘措施不足，车辆作业时容易造成二次污染，严重降低了清扫车的作业效率。因此优化流场，在垃圾内采取合理的降尘措施非常重要，其效果的好坏直接关系到清扫车的工作性能。
下面通过对比德国及英国两款吸扫式清扫车整个风道系统的流场，进行流场性能分析，采用计算流体力学模拟分析清扫车从吸嘴到垃圾箱整个系统内部流动特性，得到其流线分布、速度矢量分布、压力分布、压降等性能指标参数，为流场的改进和优化提供理论依据和数据支持，德国及英国清扫车如图1、2所示。
2除尘原理
目前国内外清扫车所用的除尘方式有重力除尘、惯性除尘、过滤式除尘和湿式喷雾除尘等。吸扫式清扫车由于受到汽车底盘的限制，除尘路线和空间都不可能很长很大，因此提高除尘效率、防止二次污染的唯一途径是在允许的最长路线和最大空间内，合理地组成多种除尘方式，并在输送过程中采取有效措施，促使粉尘的集结沉降。
图3是清扫车吸尘过程示意图，风机运转时，在其入口处产生负压，并传递到吸嘴，由于吸嘴的内外压力差，垃圾颗粒和空气从外部进入吸嘴内部，沿着吸料管经垃圾内箱进入垃圾箱。在垃圾箱内设计垃圾挡盘，因垃圾颗粒大小及比重等不同，颗粒流向发生变化，此时由于气流进入垃圾箱后截面积突然增大，气流速度降低，较大质量的颗粒会落入垃圾箱底部，实现垃圾沉降。质量较轻的颗粒和气流一起沿风道管路方向运动，经垃圾箱内滤网，过滤掉一定大小体积的垃圾，其余小颗粒经风机排到大气中。
3模型建立
3.1分析概述
图4为德国Faun、英国Scarab清扫车流场结构方案图。经前期调研，目前该两种方案的吸嘴结构大致相同，主要是垃圾箱体内部结构布局不同，其后续风机、风道布置也不同。
Faun为喇叭型出料口，Scarab为直筒型出料口：Faun为倾斜式挡盘，Scarab为弧状挡盘；Faun为对称式挡板，Scarab为前后式挡板；Faun为四面滤网，Scarab为单面滤网；Faun为前置式风道且距离短，Scarab为长距离后置式风道。
3.2模型简化
假设清扫车风道系统结构以沿车长为爿轴正向，车高为Y轴正向，车宽向左为Z轴正向。
图5为Faun及Scarab清扫车流场模型图。进行仿真分析时，对整个流场模型进行了部分简化处理：
a垃圾箱内加强筋众多，但是对空气流动影响较小，均忽略不计；b．垃圾箱后盖处卸料门组件简化为一平直的板件结构；c将连接吸嘴吸口与垃圾内箱口的连接软管简化为普通直管；d省略吸嘴后面板下的水喷淋头及其周边细小结构。
4仿真分析
4.1网格划分
将上述模型进行网格划分，参数设置如下：整个模型均采用非结构网格进行离散，整个计算域内最大网格大小为80 mm;开口采用40 mm网格，地面网格大小为40 mm;吸嘴焊接板均采用大小为15-20 mm的网格，板厚处采用2 mm的网格；垃圾箱料管网格大小均为30 mm；垃圾箱体壁面结构均采用80 mm的网格；垃圾箱内部的垃圾箱挡盘采用大小为30 mm的网格，内部滤网隔板网格大小为5 mm；风机管道网格大小为50 mm；计算域网格如图6、7所示，网格统计及质量检查标准如表2所示。
4.2边界条件
清扫过程属多相流问题，具有气、固两相性。由于清扫垃圾的多样性，不可能一一建模，故主要进行流场分析，将之简化为单一介质的流动问题，即压缩空气的流动问题。由于模型中对粉尘与粉尘的相互作用未考虑，故模拟忽略了粉尘与粉尘间的无序碰撞、水珠与粉尘的随机扑捉、碰撞黏合变大的过程。
本文求解类型为稳态分析，求解域为流体域，采用Ansys-CFX进行数值模拟计算，各参数边界条件如表3～5所示。
4.3求解与后处理
4.3.1流线分布
Faun及Scarab清扫车风道系统速度流线分布图如图8、9所示，两种方案的吸嘴结构大致相同，由于吸嘴离地高度约为IOmm，在风机运转产生负压的情况下，周围的空气经吸嘴与地面的缝隙进入吸嘴后，由于截面积突然减小，速度均有较大的提升。空气进入垃圾箱后，遇挡盘改变流向，因垃圾箱内空间增大引起速度陡降，并形成低速涡流区。经内滤网至风机风道，截面积减小而速度提升。由于两款车进入垃圾箱的管道布置不同，导致各自的流线分布也不同。
Faun清扫车挡盘与水平呈300夹角，致使空气经其结构后贴箱体上壁面流动趋势明显，不利于垃圾沉降，后续应调整其角度。而Scarab清扫车，气流经挡盘流于垃圾箱底部，受负压影响往箱体后部流动，流线显示其沉降优势优于Faun清扫车。
4.3.2速度分布
为了更清晰地了解整个流场的速度场分布，对风道系统作了如下的截面，如图10所示。
由图11、表6数据可知，Faun清扫车垃圾箱内有一喇叭口结构，由于截面积增大，其流速降低。进入垃圾箱的速度相对于Scarab清扫车的速度更低，Faun清扫车进入垃圾箱体的流速均值为15.8 m/s，Scarab清扫车进入垃圾箱体的流速均值为39.67 m/s。
由于Faun清扫车进入垃圾箱的初始速度降低，其垃圾箱体中4#及5#截面的速度分布均值都低于Scarab清扫车。Faun清扫车的格栅布置在垃圾箱体前部，其格栅附近的速度大于布置在后部的Scarab清扫车。Faun格栅处的速度均值为11.23 m/s，Scarab格栅处的速度均值为6.14 m/s，所以}aun清扫车相对于Scarab清扫车垃圾更容易聚集在格栅处附近，Scarab清扫车的垃圾沉降效果优于F aun清扫车。
两种清扫车的气流经挡盘后，在两侧形成漩涡，由于截面积增大、速度减小，在整个箱体的大范围的低速漩涡区实现垃圾沉降，Faun清扫车的漩涡较Scarab清扫车的漩涡位置更为靠近垃圾箱顶部。
4.3.3压力分布
图12为出口流量为2.152 kg/s时(进料管内速度约40 m/s)，清扫车垃圾箱截面压力矢量图，各截面数据整体如表7所示。
由表7可知，气流从3#截面进入垃圾箱，6#截面流出垃圾箱。F aun清扫车垃圾的压力损失较Scarab清扫车的压力损失更小，Faun清扫车垃圾箱体压力损失为383.45 Pa，Scarab清扫车垃圾箱体压力损失为1 057.36 Pa。
5结语
a Faun清扫车相对于Scarab清扫车垃圾更容易聚集在格棚处附近，Scarab的垃圾沉降效果优于Faun，建议国内清扫车采用长距离后置式风道和单面滤网的结构。
b Faun清扫车的垃圾箱压力损失较Scarab清扫车的压力损失更小，Faun的压损效果优于Scarab，建议国内清扫车采用Faun的风道系统。
c．Faun清扫车垃圾箱内挡盘的布置与水平呈300夹角，流线分布更优，更利于垃圾沉降，建议国内清扫车采用倾斜式挡盘布置。
d Faun清扫车在进入垃圾箱体时，设置了喇叭口结构，其进料垃圾箱的气体流速降低，在保证垃圾能进入垃圾箱体的情况下（垃圾不回流），整个垃圾箱体的速度分布较Scarab清扫车的直管进入速度分布更低，以利于垃圾沉降，建议国内清扫车增加喇叭型出料口结构。
收稿日期：2015-03-27