歐陽華兵 張伯浩 / 上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院

基于FlowSimulation的家庭清掃機(jī)器人吸塵裝置流場分析

歐陽華兵 張伯浩 / 上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院

本文利用FlowSimulation軟件對家庭清掃機(jī)器人吸塵裝置性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，采用數(shù)值模擬技術(shù)不僅可為吸塵裝置設(shè)計提供理論依據(jù)，還可最大限度地降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短設(shè)計周期。

清掃機(jī)器人；吸塵裝置；流場分析

一、概述

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人民對簡化生活并能節(jié)省勞動力的家庭清掃裝置需求越來越旺盛[1]。家庭清掃機(jī)器人吸塵裝置的性能直接影響到其工作效率。故對吸塵裝置進(jìn)行研究就顯得尤為重要，它不僅可改進(jìn)并提高吸塵效率，還可進(jìn)一步為吸塵裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。

由于清掃機(jī)器人內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且流體力學(xué)的分析過程復(fù)雜，為了模擬清掃機(jī)器人內(nèi)部的風(fēng)道并獲取吸塵口風(fēng)壓風(fēng)速等重要信息，本文借助FlowSimulation軟件，對家庭清掃機(jī)器人吸塵裝置的流場進(jìn)行分析。

二、吸塵裝置的前處理與求解

為了保證吸塵裝置求解的有效性，必須先進(jìn)行前處理操作[2-4]，具體求解步驟如下：

1.模型與材料的設(shè)置。由于本文研究的流體流動屬于湍流，研究對象為灰塵與空氣的混合物，故設(shè)置為k-ξ湍流模型，材料選擇空氣。

2.邊界條件設(shè)置

（1）吸塵口邊界條件

吸塵裝置在工作時，吸塵口的壓力、流量和速度等都是未知。在物理模型的構(gòu)建時將吸塵口向外部空間延伸，可假設(shè)遠(yuǎn)離吸塵口的區(qū)域不受影響。故將吸塵口風(fēng)道入口初始約束條件為環(huán)境壓力即一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

（2）出風(fēng)口邊界條件

吸塵裝置的出口和離心風(fēng)機(jī)相連，如果假設(shè)出口壓力，須先預(yù)知風(fēng)機(jī)所需風(fēng)壓。根據(jù)預(yù)選離心風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量62.49CFM，即，即為吸塵器出口風(fēng)立的體積流量值。

3.目標(biāo)區(qū)域選擇與目標(biāo)量設(shè)置。模型分析過程中，仿真程序通過對目標(biāo)值的逼近，計算出流場。當(dāng)目標(biāo)值逼近預(yù)先設(shè)定值時，仿真分析結(jié)束。如目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)量設(shè)置不合理，可能會導(dǎo)致迭代次數(shù)增加，降低流場計算效率。本次仿真將目標(biāo)區(qū)域選擇吸塵口所在平面，設(shè)置目標(biāo)值為流體的平均密度、平均風(fēng)速和最大靜壓值。

4.網(wǎng)格劃分。Flowsimulation求解時將計算區(qū)域劃分為不重復(fù)的控制體積，使每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個控制體積，即為“網(wǎng)格”，構(gòu)建待解流體動力學(xué)微分方程并對每個控制體積積分，獲得出一組離散方程。

為使模擬更接近實際，吸塵裝置的網(wǎng)格劃分要保證流經(jīng)入口處表面附近的流體網(wǎng)格比流經(jīng)其它流體網(wǎng)格更加細(xì)密。

5.算法與離散方法的確定。本文所研究的吸塵裝置在工作時屬于定常狀態(tài)，故選擇半隱式連接壓力方程方法SIMPLE，離散方法選擇有限體積法。

6.流場計算與分析。設(shè)置完成后，就可采用FlowSimulation軟件對吸塵裝置區(qū)域進(jìn)行計算，等待計算收斂后查看分析結(jié)果，如圖表1所示為仿真計算所得的目標(biāo)量值，其中平均密度、平均速度、最大靜壓力分別為1.04Kg/m^3、153.745m/s和98304.08Pa。

三、吸塵裝置的數(shù)值模擬結(jié)果與分析

1、吸塵裝置內(nèi)部風(fēng)道的流體運(yùn)動軌跡

為了反映空氣從吸塵口進(jìn)入集塵盒內(nèi)部運(yùn)動方式，分析出垃圾或粉塵在進(jìn)入集塵盒時的軌跡是否合理，需計算吸塵裝置內(nèi)部風(fēng)道流場，如圖1為流體運(yùn)動軌跡圖，顏色由紅到綠表示壓力由大到小。

圖1 流體運(yùn)動軌跡

為了分析與建模計算方便，在離心風(fēng)機(jī)與集塵盒間沒有考慮過濾網(wǎng)帶來的阻力。由于濾網(wǎng)所帶來的阻力與風(fēng)速有關(guān)。在未濾網(wǎng)時，吸塵口達(dá)到了9300Pa。若考慮濾網(wǎng)的阻力損耗，吸塵口的靜壓應(yīng)該約為計算結(jié)果的一半。目前，市面上的產(chǎn)品的吸塵壓力一般在800Pa到1000Pa內(nèi)，而我們的吸塵壓力卻能高達(dá)3000Pa，但為了保證其強(qiáng)大的吸塵能力，也犧牲了集塵盒的容量、噪音和續(xù)航能力等。

2、吸塵裝置內(nèi)部風(fēng)道的流體速度圖

通過風(fēng)道流體的速度圖，可分析出空氣在整個吸塵過程中的運(yùn)動情況，如圖2為流體運(yùn)動風(fēng)速圖。

綜上可知：吸塵裝置的吸塵口面積小，其風(fēng)速較高，吸塵口壓力較大。隨著集塵盒內(nèi)部空間體積的增大，流體風(fēng)速減少，致使集塵盒內(nèi)部壓力較小，垃圾進(jìn)入集塵盒后速度下降沉積于集塵盒內(nèi)部起到收集垃圾的作用。部分灰塵在集塵盒底部回流后再進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)，這常會造成集塵盒內(nèi)部細(xì)小灰塵運(yùn)動形成渦流，避免灰塵逃出集塵盒而造成二次污染。

3、吸塵裝置剖面的壓力分布

通過FlowSimulation軟件分析了吸塵裝置的剖面壓力分布，如圖3所示。由圖3可知，左側(cè)吸塵口處的壓力在整個吸塵系統(tǒng)中所占的壓力最大，而右側(cè)離心風(fēng)機(jī)風(fēng)口處雖然風(fēng)速快而損失小，但由于空間較大而造成其壓力較小，故風(fēng)口處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不需要太高就能滿足需要。

圖3 吸塵裝置剖面靜壓力分布

4、吸塵裝置工作過程及吸塵能力驗證

以家庭中約為10mm左右顆粒為例，對吸塵裝置將稍微大些的顆粒狀垃圾吸入過程進(jìn)行描述，如圖5所示的顆粒運(yùn)動軌跡。

圖4 顆粒運(yùn)動軌跡模擬

從圖4可知，顆粒剛被吸入時由靜止開始加速到相對較大的速度，對吸塵口具有較大的沖擊力。當(dāng)顆粒進(jìn)入集塵盒內(nèi)部時，伴隨著風(fēng)速的減小，顆粒速度也隨之減小，顆粒在撞擊到集塵盒的滑蓋后消耗了大部分動能，依靠自身重力及慣性落入集塵盒的底部。故在設(shè)計吸塵口入口處及集塵盒滑蓋時，應(yīng)綜合考慮其結(jié)構(gòu)并選擇合適的材料，避免發(fā)生沖擊力過大而損壞的現(xiàn)象。

四、結(jié)論

為了保證流程分析結(jié)果更加有效可靠，其關(guān)鍵在于選擇合適的湍流模型和劃分高質(zhì)量的計算網(wǎng)格。采用FlowSimulation軟件對吸塵裝置吸塵能力進(jìn)行流場模擬方法是切實可行的，它不僅可縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，而且能為吸塵裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1]楊春朝,章易程,歐陽智江等.基于流場模擬的真空清掃車吸塵口的參數(shù)設(shè)計[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,43(9):385-390.

[2]韓魯冰,董繼先.基于Solidworks-Flowsimulation軟件的盤磨機(jī)磨盤建模與流場分析[J].中國造紙,2016,35(12):37-42.

[3]謝菲, 吳占松.文丘里管內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)值模擬和實驗[J].動力工程學(xué)報,2007,27(2):237-24.

[4]蘇乃權(quán),蔡業(yè)彬,李石棟等.充液閥氣液兩相流的流場仿真分析[J].機(jī)床與液壓,2017,45(8):78-81.

上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目資助(14YZ158)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃項目資助（ZZSDJ12008）；上海電機(jī)學(xué)院重點(diǎn)培育項目（12C110）；上海電機(jī)學(xué)院重點(diǎn)教研教改項目（A1-0224-17-009-04）;上海高校教師產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)計劃(2013)；上海電機(jī)學(xué)院科研啟動經(jīng)費(fèi)項目資助（13C415）;上海電機(jī)學(xué)院登峰學(xué)科建設(shè)項目（16DFXK01）.

歐陽華兵（1980-），男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，博士，副教授，主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計與制造。