反吹式吸嘴流場(chǎng)數(shù)值分析及吸塵效率研究

郗 元， 成 凱， 婁希同， 程 磊， 張欽國(guó)， 胡艷娟

（1．吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022；2．徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇徐州221007；3．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

反吹式吸嘴流場(chǎng)數(shù)值分析及吸塵效率研究

郗 元1， 成 凱1， 婁希同1， 程 磊2， 張欽國(guó)1， 胡艷娟3

（1．吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022；2．徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇徐州221007；3．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

為提高掃路車的吸塵效率，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)對(duì)反吹式吸嘴流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵效果的影響規(guī)律，并結(jié)合氣固兩相流動(dòng)模型對(duì)優(yōu)化后模型的吸塵效率進(jìn)行計(jì)算．研究表明：吸塵口的直徑不大于反吹式吸嘴寬度的0．47倍、傾角不大于105°時(shí)，分別增大吸塵口直徑和傾斜角度，均可提高吸塵效率；反吹式吸嘴近地面氣流速度大且方向緊貼地面，不存在氣流外泄造成的二次污染；車速由5 km／h提高到15 km／h時(shí)，總除塵效率下降了27%，其中45μm粒徑顆粒的分級(jí)除塵效率下降了9%，152μm粒徑顆粒的分級(jí)除塵效率下降了33%．

掃路車；反吹式吸嘴；CFD；氣固兩相流；吸塵效率

近年來，國(guó)內(nèi)顆粒物污染問題日益突出，引起了廣泛重視，其中路面灰塵和泥沙是城市顆粒物污染的主要來源［1］，有效地清除小顆粒物已成為構(gòu)建環(huán)境友好型城市的必然要求．掃路車被視為清掃道路灰塵、泥沙、雨水等最有效的設(shè)備［2-4］，但J．Vaze［5］認(rèn)為掃路車對(duì)較小顆粒清掃效果較差．

吸嘴作為掃路車吸塵系統(tǒng)的核心，其吸塵性能的好壞直接影響掃路車的吸塵效率．陳忠基等［6］通過試驗(yàn)方法得知增設(shè)吸嘴前后翼板和兩側(cè)擋板可提高吸塵效果；曾廣銀［7］、朱伏龍［8］對(duì)吸嘴內(nèi)部氣相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究并提出改進(jìn)；楊春朝［9］、Wu Bofu［10］運(yùn)用CFD兩相流動(dòng)模型驗(yàn)證了不同粒徑顆粒吸起效果．上述均沒對(duì)反吹式吸嘴展開研究．本文以國(guó)內(nèi)某吸掃式掃路車為研究對(duì)象，對(duì)反吹式吸嘴進(jìn)行參數(shù)分析，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵效果的影響規(guī)律．采用氣固兩相流動(dòng)方法計(jì)算優(yōu)化后模型的吸塵效率，并結(jié)合試驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性．

1 氣路系統(tǒng)

1．1 氣力輸送系統(tǒng)

按照作業(yè)方式的不同，掃路車可分為3類：純掃式、吸掃式、純吸式，其中吸掃式掃路車在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖．

圖1 掃路車結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Structural diagrammatic sketch of street sweeper

吸掃式掃路車氣力輸送系統(tǒng)的氣流流動(dòng)路線如圖2，反吹式吸嘴（下文簡(jiǎn)稱“吸嘴”）將顆粒吸入后，依次輸送到重力沉降室（垃圾箱），旋風(fēng)分離器，部分流量進(jìn)入脈沖除塵器進(jìn)行除塵過濾，過濾后的空氣直接排入大氣．其余流量進(jìn)入吸嘴反吹風(fēng)口，以輔助吸塵口拾取顆粒物．

圖3為吸嘴示意圖，吸嘴工作時(shí)離地間隙由吊耳2和支撐輪4控制．吸塵口1與垃圾箱相連通，密閉的垃圾箱在風(fēng)機(jī)抽吸作用下處于真空狀態(tài)，使吸嘴的周邊形成一定的負(fù)壓，塵粒及較大顆粒物經(jīng)橡膠擋板5進(jìn)入到吸嘴內(nèi)部．吸嘴反吹風(fēng)口3與風(fēng)機(jī)出口相連通，流量擋板控制風(fēng)機(jī)出口流量分配．風(fēng)機(jī)部分流量進(jìn)入脈沖除塵箱，其余流量經(jīng)由反吹口3進(jìn)入回吹風(fēng)腔，氣流通過吸嘴行駛方向的底部左側(cè)及后側(cè)條縫狀L型噴口（圖4綠色處）噴出封閉氣幕．在吸塵口1和封閉氣幕兩者的共同作用下，地面上的顆粒物被吸起，并沿著輸送管道被輸送到垃圾箱內(nèi)．

圖2 循環(huán)式氣力輸送流程圖Fig．2 Pneumatic conveying system of air flow route

圖3 反吹式吸嘴示意圖Fig．3 Diagrammatic sketch of reverse blowing pickup mouth

1．2 結(jié)構(gòu)尺寸

圖4為吸嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括吸嘴的吸塵口直徑D1、吸塵口傾角β、反吹口直徑D2、長(zhǎng)L、寬B、厚H以及吸嘴的離地間隙δ，吸嘴主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1．V為掃路車行駛方向，剖視圖A-A、C-C分別是吸塵口（Y＝200 mm）及反吹口（Y＝1 250 mm）剖切面的左視圖．

圖4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 diagram of inside Structure

表1 吸嘴主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab．1 The main dimensions of the pickup mouth mm

2 數(shù)值計(jì)算方法

2．1 算法選取及邊界條件

吸嘴工作時(shí)，顆粒物在內(nèi)部負(fù)壓作用下從吸嘴四周縫隙吸入，但該部分的流量、壓力等未知，且該處為內(nèi)外流場(chǎng)分界面，氣流運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜．在吸嘴四周縫隙上加空氣擴(kuò)展區(qū)域，即可避免此處邊界入口條件難以設(shè)置的問題．將擴(kuò)展區(qū)的4個(gè)入口設(shè)置為大氣壓，以此來模擬實(shí)際情況．

由于吸嘴的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故采用Icem對(duì)模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分．為了保證計(jì)算精度，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)．經(jīng)多次劃分后，最終網(wǎng)格數(shù)量確定為13萬個(gè)（如圖5）．為了提高計(jì)算精度，采用有限體積法進(jìn)行方程的離散，選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，內(nèi)部為不可壓縮穩(wěn)態(tài)求解，選擇二階迎風(fēng)差分格式和SIMPLE求解算法．邊界條件設(shè)置：流場(chǎng)計(jì)算采用吸塵口出口D1為壓力出口，反吹口D2為速度入口，擴(kuò)展區(qū)為壓力入口，其余邊界條件均為壁面．吸嘴底部的壁面為無滑移壁面，其余的壁面均為移動(dòng)壁面，以模擬吸嘴行駛．

圖5 吸嘴網(wǎng)格模型Fig．5 Meshes of the physical model

2．2 顆粒相模型

顆粒相模型主要用于實(shí)際工作狀況的模擬及除塵效率的計(jì)算，采用DPM模型通過計(jì)算吸塵口顆粒的溢出數(shù)量和顆粒注入總量來模擬除塵效率［11］．粒度分布有區(qū)間分布和累計(jì)分布兩種形式，本文選用塵粒直徑區(qū)間柱狀分布圖．模擬中選用WU Bofu［10］的路況顆粒模型，其塵粒直徑分布如圖6所示，顆粒相模型主要參數(shù)設(shè)置見表2．

2．3 基本假設(shè)

（1）整個(gè)工作過程中吸嘴內(nèi)的氣體與外界氣體無熱量交換．

（2）吸嘴四周設(shè)置了空氣擴(kuò)展區(qū)域，其進(jìn)口靜壓力為大氣壓．

（3）吸嘴勻速前進(jìn)，顆粒相在注入吸塵口之前均處于靜止?fàn)顟B(tài)．

圖6 塵粒直徑分布柱狀圖Fig．6 Histogram distribution of dust particle diameter

表2 顆粒相主要參數(shù)設(shè)置Tab．2 The main features of particles phase

2．4 流場(chǎng)控制方程

氣流在吸嘴內(nèi)部的流動(dòng)是高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)且不屬于強(qiáng)旋流，因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型［12］．吸嘴工作時(shí)內(nèi)部為氣固兩相流動(dòng)，因此計(jì)算時(shí)選用多相流中的歐拉-拉格朗日模型，離散相選用DPM模型，求解流場(chǎng)所需方程如下：

（1）連續(xù)性方程

式中：ρ為流體密度；v為流體速度．（2）動(dòng)量方程

式中：

有效黏度系數(shù)μeff＝μ＋μT；校正壓力

其中：p是靜壓力；ξ是體積黏性系數(shù)；μ為層流黏度系數(shù)；μT為湍流黏度系數(shù)，定義為，常數(shù)cμ＝0．09，k為湍流動(dòng)能，ε為動(dòng)能耗散系數(shù)．

（3）k-ε方程

（4）利用歐拉-拉格朗日模型模擬顆粒在吸嘴中的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡可通過對(duì)粒子的受力平衡方程計(jì)算出．考慮粒子在氣流中受到的黏性力、重力及提升力，根據(jù)牛頓第二定律得出平衡方程為

式中：mp是顆粒質(zhì)量；up是顆粒速度；FD是黏性力；Fg是重力；Fs是提升力．

2．5 顆粒啟動(dòng)速度

顆粒的啟動(dòng)速度是指能使顆粒開始產(chǎn)生滾動(dòng)或滑動(dòng)的最小氣流速度，只有氣流速度超過顆粒的啟動(dòng)速度，顆粒才能開始運(yùn)動(dòng)［13］．Bagnold計(jì)算出顆粒啟動(dòng)的臨界速度為［14］

式中：u*t為臨界速度；A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；ρs為顆粒密度；d為顆粒粒徑；ρ為氣體密度．

顆粒的啟動(dòng)速度是吸嘴設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，顆粒能否順利啟動(dòng)將直接影響掃路車的吸塵效果．結(jié)合式（7）及朱伏龍?jiān)囼?yàn)［15］，密度為1．94 t／m3的砂粒粒徑與啟動(dòng)速度關(guān)系如圖7所示．

圖7 砂粒粒徑與啟動(dòng)速度關(guān)系Fig．7 Pickup speed of different sizes of particles

3 參數(shù)影響分析

3．1 反吹風(fēng)量

吸嘴反吹風(fēng)口與離心風(fēng)機(jī)出口由流量控制擋板相連通，流量控制擋板的作用是調(diào)整進(jìn)入脈沖除塵箱及吸嘴的流量比例，控制風(fēng)量的風(fēng)門手柄共有7個(gè)檔位，如圖8所示．

圖8 風(fēng)門調(diào)解手柄Fig．8 Regulation handle of flow

掃路車在市區(qū)內(nèi)有效作業(yè)車速一般為3～12 km／h．本文以最大有效作業(yè)車速12 km／h為例，結(jié)合顆粒相模型，通過計(jì)算吸塵口顆粒的溢出數(shù)量和注入顆粒的總量來模擬除塵效率［11］．當(dāng)作業(yè)車速為12 km／h時(shí)，改變反吹風(fēng)量得到反吹風(fēng)量與總除塵效率的關(guān)系曲線（如圖9）．當(dāng)反吹風(fēng)量小于2 172 m3／h時(shí)，總除塵效率呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)；當(dāng)反吹風(fēng)量大于該值時(shí)，總除塵效率急劇下降，顆粒出現(xiàn)了外泄現(xiàn)象．外泄現(xiàn)象是由于車速和反吹風(fēng)量選擇不合理造成的，兩者的共同作用增加了顆粒與吸嘴間的相對(duì)速度，較多顆粒以較大碰撞角度移動(dòng)，致使較多被吸入的顆粒又從吸嘴周圍進(jìn)氣面逃出．為了實(shí)現(xiàn)掃路車高效、高速作業(yè)，當(dāng)車速不高于12 km／h時(shí)，反吹風(fēng)量選為2 172 m3／h（約總風(fēng)量的70%）較合適，即風(fēng)門手柄的中間檔位，此時(shí)顆粒外泄現(xiàn)象得到有效控制且除塵效率較高．

圖9 反吹風(fēng)量與總除塵效率關(guān)系Fig．9 Effects of reverse flow on overall removal efficiency

3．2 吸塵口直徑

考慮到整車的尺寸干涉問題，該模型優(yōu)化不做長(zhǎng)度、寬度和厚度的調(diào)整．通過分析前后內(nèi)外側(cè)4個(gè)進(jìn)氣面平均速度及吸塵口入口處壓強(qiáng)分布狀態(tài)，選擇合理的參數(shù)使得前后內(nèi)外進(jìn)氣面速度盡量高且壓強(qiáng)盡量低．

設(shè)吸嘴的反吹口直徑D2＝0．42B，通過改變吸塵口直徑D1與吸嘴寬度B的比值iD1B來改變吸塵口的直徑，其流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖10所示．

圖10 徑寬比iD1B對(duì)速度及壓強(qiáng)的影響Fig．10 Effects of iD1Bon the velocity and pressure

由圖10可知，吸塵口直徑D1與吸嘴寬度B的比值iD1B小于0．47時(shí)，前后內(nèi)外側(cè)4個(gè)進(jìn)氣面的平均速度均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，而吸塵口入口壓強(qiáng)在不斷減?。划?dāng)比值iD1B大于0．47時(shí)，各進(jìn)氣面的平均速度和吸塵口入口壓強(qiáng)均無明顯變化．產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因：吸塵口的出口處壓力為一恒定值，當(dāng)徑寬比小于0．47時(shí)，隨著吸塵口直徑的增大，近地面吸塵功率不斷增大，使得前后內(nèi)外側(cè)4個(gè)進(jìn)氣面平均速度得以提高．管徑的增大使得吸嘴前側(cè)、外側(cè)擋板與吸塵口距離縮短，減小了沿程損失，使得吸塵口入口處壓強(qiáng)降低．當(dāng)徑寬比大于0．47時(shí)，近地面吸塵功率的增大使得氣流速度增大，進(jìn)而沿程損失量增大．然而，吸塵功率的增加程度近似地等于沿程損失程度，此時(shí)平均速度和吸塵口入口處壓力值變化不明顯．

3．3 吸塵口傾角

設(shè)吸嘴的反吹口直徑D2＝0．42B，吸塵口直徑D1＝0．45B，改變吸塵口傾角β，其計(jì)算結(jié)果如圖11所示．

吸塵口傾角β的改變使得前后內(nèi)外側(cè)4個(gè)進(jìn)氣面的平均速度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而吸塵口的壓強(qiáng)則先減小后增大．產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因?yàn)槲鼔m口傾角的大小決定了能量的損耗．傾角在小于角度值約為105°時(shí)，氣流在吸嘴內(nèi)部流動(dòng)較順暢，能量損失較小，進(jìn)而提高了吸嘴的吸塵功率，增大了吸嘴前后內(nèi)外側(cè)四個(gè)進(jìn)氣面的速度，同時(shí)降低了吸塵口入口處的靜壓力．傾角大于角度值約為105°時(shí)，內(nèi)部氣流損失量增大，吸嘴近地面的工作功率下降，直接導(dǎo)致前后內(nèi)外側(cè)進(jìn)氣面速度降低．吸塵口傾角的不斷增大，不可避免地帶來吸塵口與吸嘴截面積的突變?cè)龃?，降低了吸塵口出口處對(duì)吸塵口入口處的負(fù)壓影響，致使吸塵口入口處壓強(qiáng)增大．根據(jù)參數(shù)影響分析，反吹風(fēng)量選為2 172 m3／h，吸塵口直徑D1與吸嘴寬度B的比值iD1B選為0．45，吸塵口傾角為105°．

圖11 傾斜角度β對(duì)速度及壓強(qiáng)的影響Fig．11 Effects ofβon the velocity and pressure

4 結(jié)果與分析

4．1 速度場(chǎng)分析

掃路車吸嘴內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)如圖12所示，從圖12速度矢量圖可以看出，風(fēng)機(jī)出口部分氣流從吸嘴反吹口進(jìn)入，經(jīng)由回吹風(fēng)腔，從條縫狀L型噴口噴出封閉氣幕．在封閉氣幕和吸塵口的共同作用下，空氣從吸嘴周圍進(jìn)入吸嘴內(nèi)部，將地面上的顆粒物吸起經(jīng)吸塵口運(yùn)送至垃圾箱內(nèi)．

圖12 吸嘴全氣道速度矢量圖Fig．12 Velocity vector in pickup mouth

圖13是吸嘴近地面速度矢量圖，其中Ⅰ處的速度矢量放大圖如圖14所示．吸嘴近地面氣流速度高且方向緊貼地面，氣流在負(fù)壓作用下從吸嘴外部進(jìn)入，不存在外泄造成的二次污染．

圖13 吸嘴近地面速度矢量圖Fig．13 Vector diagram near the ground of pickup mouth

圖14 Ⅰ處速度矢量局部放大圖Fig．14 Amplification of zone I vector diagram

地面顆粒能否被有效拾取取決于近地面速度，城市道路常見顆粒物有效吸塵速度為18 m／s［15］．吸塵口附近速度范圍為29．9～33．1 m／s，遠(yuǎn)離吸塵口一側(cè)速度范圍為20．0～26．6 m／s，說明吸塵效果較好．

圖15為吸塵口（Y＝200 mm）處的截面速度矢量圖．雖然在Ⅱ處形成漩渦，但是由于最大的氣流速度在吸塵口處，顆粒易被主氣流帶入吸塵口入口方向，所以并不影響吸塵效率．Ⅲ處為吸塵口出口，其速度范圍為51．4～60．0 m／s，這使得泥塊等大顆粒物較容易輸送至垃圾箱．

圖15 吸塵口截面Y＝200 mmFig．15 Suction mouth section Y＝200mm

4．2 吸塵效率分析

總除塵效率和分級(jí)除塵率是衡量吸嘴吸塵性能的重要指標(biāo)．本文以反吹風(fēng)量2 172 m3／h（約總風(fēng)量70%）為例，通過計(jì)算吸塵口顆粒的溢出數(shù)量和注入顆粒的總量來模擬除塵效率［11］．當(dāng)反吹風(fēng)量為2 172 m3／h時(shí)，改變掃路車作業(yè)車速得到車速與總除塵效率的關(guān)系曲線（如圖16）．由圖16可見，車速對(duì)總除塵效率有著較大的影響，隨著車速的不斷提高，總除塵效率下降．車速在8～12 km／h時(shí)，總除塵效率下降緩慢．繼續(xù)提高車速后，總除塵效率急劇下降．產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，車速的提高增加了顆粒與吸嘴間的相對(duì)速度，使得更多的顆粒以較大碰撞角度向進(jìn)氣口移動(dòng)，進(jìn)而較多的顆粒無法被吸嘴吸入，部分顆粒甚至從吸嘴進(jìn)氣面漏出．隨著車速的提高，單位時(shí)間內(nèi)吸入的顆粒數(shù)增多，即顆粒負(fù)載比增加，致使顆粒獲得的動(dòng)能減少．

圖16 車速與總除塵效率的關(guān)系Fig．16 Effects of sweeper-traveling speed on overall removal efficiency

從圖17可見，吸嘴在壓降為2 400 Pa下，分級(jí)除塵效率隨著車速的提高急劇下降．分級(jí)除塵效率與粒徑的大小有著直接關(guān)系，直徑為45μm的顆粒在車速由5 km／h提高到15 km／h的過程中，分級(jí)除塵效率變化不大，其值僅下降9%；直徑為152μm的顆粒，在相同速度條件下，其結(jié)果與粒徑較小的顆粒恰恰相反，除塵效率下降了33%．這是因?yàn)樾☆w粒的運(yùn)動(dòng)軌跡容易受氣流流向的影響，不易與吸嘴的壁面出現(xiàn)碰撞等問題．然而，對(duì)于粒徑較大的顆粒來說，慣性影響不可忽視．大顆粒的動(dòng)量主要來自于壁面的碰撞而不是氣流的湍流特性，因此較大的顆粒在吸入吸嘴后，若與壁面碰撞產(chǎn)生足夠大的動(dòng)量，甚至?xí)倪M(jìn)氣面中逃出．基于上述分析，掃路車應(yīng)低速作業(yè)．

4．3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析后的吸嘴性能，在企業(yè)廠區(qū)內(nèi)選擇柏油路作為試驗(yàn)場(chǎng)地．將顆粒均勻鋪在長(zhǎng)10 m、寬2 m的矩形區(qū)域，顆粒在此區(qū)域的分布密度為0．15 kg／m2．對(duì)壓降為2．4 kPa、作業(yè)車速為5 km／h優(yōu)化后吸嘴進(jìn)行速度測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)均需要待掃路車達(dá)到穩(wěn)定作業(yè)狀態(tài)后方可進(jìn)行試驗(yàn)．

圖17 車速與分級(jí)除塵效率曲線圖Fig．17 Effects of sweeper traveling speed on grade removal efficiency

為測(cè)得近地面處速度，根據(jù)文獻(xiàn)［10］中吸嘴流場(chǎng)測(cè)試方法，選取吸嘴（圖4）截面Y＝200 mm，測(cè)試位置選在高度X＝10 mm處沿Z軸方向的7個(gè)測(cè)點(diǎn)．測(cè)試采用KASDA-KV621熱線風(fēng)速儀，該風(fēng)速傳感器探頭長(zhǎng)度為15 cm，且可以根據(jù)具體要求對(duì)探頭的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整（可加長(zhǎng)15 cm的整數(shù)倍），本次試驗(yàn)選用15 cm和45 cm探頭各一個(gè)．傳感器位置確定主要考慮以下幾點(diǎn)因素：①對(duì)樣機(jī)開孔數(shù)盡量少，以減少非必要的漏風(fēng)率；②若傳感器選用較多會(huì)導(dǎo)致探頭影響內(nèi)部流場(chǎng)，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性；③傳感器測(cè)試時(shí)要求調(diào)整其角度使之與風(fēng)向一致（即傳感器需要與地面平行）．鑒于上述要求，開孔位置選擇在吸嘴后側(cè)擋板處，傳感器由法蘭固定安裝并由鎖緊螺栓對(duì)其進(jìn)行位置調(diào)整．考慮到掃路車行駛過程中傳感器測(cè)試時(shí)的穩(wěn)定性和傳感器探頭長(zhǎng)度與車體間尺寸干涉等問題，當(dāng)測(cè)點(diǎn)Z向坐標(biāo)小于150 mm時(shí)采用15 cm長(zhǎng)探頭，當(dāng)測(cè)點(diǎn)Z向坐標(biāo)大于150 mm時(shí)采用45 cm長(zhǎng)探頭．通過鎖緊螺栓調(diào)節(jié)測(cè)點(diǎn)位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行5次測(cè)試，測(cè)點(diǎn)最終速度取5次測(cè)試速度的平均值．

該風(fēng)速傳感器信號(hào)輸出方式為電流輸出，為了便于信號(hào)采集，需要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)．傳感器輸出的電流信號(hào)通過4～20 mA轉(zhuǎn)0～10 V的電流轉(zhuǎn)電壓模塊后送入采集系統(tǒng)．信號(hào)的采集選用北京波普WS-5921／U60232型USB數(shù)據(jù)采集儀，選用波普公司開發(fā)的Vib｀SYS軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，采樣頻率設(shè)置為100 Hz．

通過仿真值和試驗(yàn)值的對(duì)比來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性．表3為仿真值與試驗(yàn)值的對(duì)比情況，相對(duì)誤差式為

式中：ps為仿真計(jì)算值；pt為試驗(yàn)測(cè)得值．

根據(jù)式（8）得出最大相對(duì)誤差為11．52%．由于測(cè)試過程中車輛顛簸導(dǎo)致吸嘴離地間隙發(fā)生變化，仿真過程中不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分、實(shí)際問題的簡(jiǎn)化等因素，該誤差在允許范圍值15%之內(nèi)［10，15］．試驗(yàn)結(jié)果表明了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和仿真方法的可行性，研究結(jié)果對(duì)掃路車反吹式吸嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義．

表3 仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab．3 Comparison between simulation and experimental results

5 結(jié) 論

（1）反吹風(fēng)量不大于2 172 m3／h（約總風(fēng)量70%）有利于吸塵效率的提高．吸塵口的直徑不大于反吹式吸嘴寬度的0．47倍、傾角不大于105°時(shí)，分別增大吸塵口直徑和傾斜角度，均可提高吸塵口入口處壓力真空度及前后內(nèi)外側(cè)進(jìn)氣面平均速度，進(jìn)而提高吸塵效率．

（2）反吹式吸嘴近地面氣流速度高且方向緊貼地面，不存在氣流外泄造成的二次污染．

（3）車速對(duì)反吹式吸嘴的總除塵效率和分級(jí)除塵效率影響較大．粒徑較小的顆粒受車速影響較小，粒徑較大的顆粒則影響較大．

［1］ YU W，LI J，XIANG C，et al．Estimation of PM10 in the traffic-related atmosphere for three road types in Beijing and Guangzhou，China［J］．Journal of Environmental Sciences，2014，26（1）：197-204．

［2］ LI Yaqin，Wu Wenfu，WANG Junfa，et al．Study onparameter optimization of concave disc copying icebreaking snow sweeper［J］．International Journal of Smart Home，2014，8（3）：197-206．

［3］ XI Yuan，CHENG Kai，XIAO Tao，et al．Parametric design of reverse blowing pickup mouth based on flow simulation［J］．Journal of Information and Computational Science，2015，12（6）：2165-2175．

［4］ WALTER S，ULLI-BEER S，WOKAUN A．Assessing customer preferences for hydrogen-powered street sweepers：a choice experiment［J］．International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（16）：12003-12014．

［5］ VAZE J，CHIEW F H S．Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface［J］．Urban Water，2002，4（4）：379-389．

［6］ 陳忠基，吳曉元，徐廣譜，等．路面清掃車吸嘴裝置的實(shí)驗(yàn)研究［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，29（12）：1483-1485．CHEN Zhongji，WU Xiaoyuan，XU Guangpu，et al．Experimental study on suction mouth of vacuum sweeper［J］．Journal of Tongji University：Science and Technology，2001，29（12）：1483-1485．

［7］ 曾廣銀，李欣峰，肖田元，等．公路清掃車吸塵系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（12）：2770-2773．ZENG Guangyin，LI Xinfeng，XIAO Tianyuan，et al．Simulation for the design of dust suction system of highway sweeper［J］．Journal of System Simulation，2004，16（12）：2770-2773．

［8］ 朱伏龍，張冠哲，陳杰．真空吸塵車吸塵口的流場(chǎng)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（11）：50-52． ZHU Fulong，ZHANG Guanzhe，CHEN Jie．Flow field analysis and structure optimization of vacuum sweeper suction mouth［J］．Machinery Design＆Manufacture，2008（11）：50-52．

［9］ 楊春朝，章易程，歐陽智江，等．基于流場(chǎng)模擬的真空清掃車吸塵口的參數(shù)設(shè)計(jì)［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，43（9）：3704-3709．YANG Chunzhao，ZHANG Yicheng，OUYANG Zhijiang，et al．Parametric design of dust collection port of vacuum sweeper based on flow simulation［J］．Journal of Central South University：Science and Technology，2012，43（9）：3704-3709．

［10］ WU Bofu，MEN Jinlai，CHEN Jie．Numerical study on particle removal performance of pickup head for a street vacuum sweeper［J］．Powder Technology，2010，200（1）：16-24．

［11］ CHUAH T G，GIMBUN J，CHOONG T S Y，A CFD study of the effect of cone dimensions on sampling aerocyclones performance and hydrodynamics［J］．Powder Technology，2006，162（2）：126-132．

［12］ 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：120-123

［13］ NICKLING W G．The initiation of particle movement by wind［J］．Sedimentology，1998，35（3）：499-511．

［14］ BAGNOLD R A．The physics of blown sand and desert dunes［M］．New York：William Morrow＆Company，1941：167-181．

［15］ 朱伏龍．基于吸塵性能的吸塵口結(jié)構(gòu)研究與流場(chǎng)分析［D］．上海：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2008．

（中、英文編輯：徐 萍）

Research on Numerical Analysis and Dust Collection Efficiency of Reverse Blowing Pickup Mouth

XI Yuan1， CHENG Kai1， LOU Xitong1， CHENG Lei2， ZHANG Qinguo1， HU Yanjuan3
（1．School of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；2．XCMG Xuzhou Truck-mounted Crane Co．Ltd．，Xuzhou 221007，China；3．School of Mechatronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

In order to improve dust collection efficiency，the computational fluid dynamics（CFD）technology was used to calculate the flow field of reverse blowing pickup mouth，analyze the structural parameters influence on the dust collection efficiency，and calculate the dust collection efficiency combined with the gas-solid flow model．The results show that when the ratio between outlet diameter and width is less than 0．47 and the dip angle is less than 105°，the dust collection efficiency can improved by increasing the outlet diameter and dip angle．Airflow velocity is high and the direction is close to the ground when reverse blowing pickup mouth is near the ground．There is no leakage to bring about secondary pollution．The overall removal efficiency declines by 27%when traveling speed increases from 5 km／h to 15 km／h，in which the grade efficiency of 45 and 152μm particle diameter respectively decrease by 9%and 33%．

sweeper；reverse blowing pickup mouth；computational fluid dynamics；gas-solid two phase flow；dust removal efficiency

U418．3

A

0258-2724（2016）01-0105-08

10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．016

2014-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405030）

郗元（1987—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楣こ誊囕v及專用車系統(tǒng)節(jié)能與控制技術(shù)，E-mail：xy59135210＠163．com

成凱（1962—），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ誊囕v及專用車系統(tǒng)節(jié)能與控制技術(shù)，E-mail：chengkai＠jlu．edu．cn

郗元，成凱，婁希同，等．反吹式吸嘴流場(chǎng)數(shù)值分析及吸塵效率研究［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（1）：105-112．