龙卷风在扫路车上的应用研究

林春玮 许顺林

福建龙马环卫装备股份有限公司 福建省龙岩市 364028

1 引言

扫路车的吸嘴是整部车工作效率高低的关键部分，其更加快速、高效的抽吸作业将会给产品带来更高的经济价值和使用价值。扫路车作为路面垃圾清扫的专用车辆，我国扫路车行业历经数十年的发展，但相比国外的水平，还存在一定的差距。而龙卷风一向是灾难的代名词，破坏力之大令人望而生畏，具有持续时间短、风力大、破坏力强和难以预测等特点，目前对于龙卷风的形成机理尚没有统一的定论。但是，研究人员在研究时发现了龙卷风具有一定的实际应用价值，并且制作了一系列的龙卷风发生装置，成功制造出了人造龙卷风。本文将基于以上扫路车现状和龙卷风可制造性的事实，将龙卷风（环形气流）生成装置嵌入到吸嘴的某个关键位置，力求起到事半功倍的效果。

2 国内扫路车气力输送系统发展现状

扫路车气力输送系统由风机、吸嘴、风道、垃圾箱、过滤装置等组成，其工作原理为，依靠风机强大的抽吸风力将密闭的垃圾箱抽成负压，再通过负压在吸嘴处产生的高速气流将垃圾吸入垃圾箱体内，在这里，吸嘴起到了关键性的作用。

倪奕金[1]对目前主流的扫路车气力输送系统进行了系统地论述，并根据气固两相流理论和物体的悬浮理论，提出了整套的设计思路和计算方法。其中，对抽吸所需气流速度一栏中，根据诺谟图和相关文献给出了系统所需的气流速度和悬浮速度。

姜兆文[2]对扫路车的气力输送系统进行了详细的理论研究计算和软件仿真分析，确定了循环反吹风吸嘴结构在实际中的应用价值。循环反吹风吸嘴的原理即加大吸嘴内部的气体流速，杜绝抽吸死角，反映了吸嘴中的气流速度在整个气力输送系统中的关键性作用。

3 龙卷风生成装置的制作可行性

国内学者主要采用理论分析和数值模拟的方法对龙卷风进行分析研究。汤卓[3]发展了考虑气压降的三维龙卷风风场模型，提出了封闭结构龙卷风荷载的计算方法，并给出了三维模型模拟产生的F1～F3级龙卷风的特征参数值。以F2级龙卷风为例，其最大切向风速Vmax已远远大于12级台风的33m/s，并且其在中心处产生的负压可将周围的物体不断聚集到风场中心。张冀喆[4]使用数值模拟方法对龙卷风进行研究，其制作的龙卷风生成装置成功生成了龙卷风，该装置可通过改变底部气流的方向，来得到不同涡流比的龙卷风形态。

国外学者对龙卷风进行了大量研究。Rotunno[5]指出了数值模拟是现在获取龙卷风风场数据的一个有效方法。而Robert[6]指出了龙卷风形成过程。在实验研究方面，研究者制作了各种实验室人造龙卷风生成装置，验证了人造龙卷风的实测数据已基本接近数值模拟数据[7-9]。

4 运用龙卷风原理的吸嘴方案研究

通过以上事实可知，目前国内扫路车的气力输送系统，只能通过提升风机功率来提升气流速度，但此方法往往受到动力和空间的限制。与此同时，部分扫路车运用了反吹机构，但并未涉及使用环形气流来提升气流速度。而在龙卷风的研究方面，已经能够借助计算机对其进行数值模拟和计算，并且能够制造出龙卷风生成装置，为龙卷风在扫路车上的运用打下了坚实基础。

4.1 确定龙卷风生成装置在吸嘴中的位置

姜兆文在《吸扫式扫路车总体设计及气力输送系统研究》中[10]，详细地描述了尘粒的启动过程。可以明确的是，吸嘴内尘粒的运动经过三个阶段：首先是在启动速度的作用下不断聚集到吸嘴吸筒的底部；然后在吸筒底部互相碰撞继而飞起，得以暂时悬浮在空中；最后再依靠吸筒内的气流将尘粒通过吸筒送入垃圾箱体内。事实上，大部分尘粒在碰撞后并不是直接向上运动，而是要依靠气流的作用力在克服自身重力后加速上升，也就是说，如果该区域内的气流速度不够，尘粒将跌落在地上并失去向上的直接推力，由此可见，下图1中的尘粒碰撞加速区是抽吸的关键位置，最合适布置龙卷风生成装置。

图1 传统吸嘴结构及抽吸简图

图2 环形气流吸嘴结构示意图

4.2 环形气流吸嘴结构设计

国外学者Robert指出，龙卷风是上升的气流先在上空形成气旋，再延伸至地面形成龙卷风，因此我们只要在传统V型吸嘴的吸筒底部增设一个环形气流生成室即可，如下图2所示。该生成室下半部分呈圆筒状，上半部分呈圆锥状，起到气流导向作用，在气流生成室下半部分的圆筒周围设置有六个反吹气口，沿着圆筒周围均匀分布，通过调整吹气口的角度便可形成不同形态的龙卷风。同时，在吸嘴的前方左右对称分别设置一个反吹气口，作用是将左右侧的垃圾推至吸筒下方。对于该装置在吸嘴中起到的作用，以下从3个方面进行解析：

（A）环形气流（龙卷风）的压降作用。汤卓在《龙卷风风场模型及风荷载研究》中重点强调了龙卷风内部的气压降在其巨大破坏力中所起的关键性作用[7]，事实上，当气流角度α调整到一定值时，实际气流的径向流速V2会大于切向流速V1，此时尘粒便不再往外甩出，而是相反地，运动半径会不断变小，同时随上升的气流向上运动，此外，还会在气流的中心处形成一个气压降，而该气压降对贴附在地面处的尘粒具有真空抽吸的作用，这种效果是围绕在尘粒周围的气流所无法达到的。与此同时，尘粒聚集在吸筒中心处，亦可避免尘粒与吸筒臂之间的直接碰撞和摩擦，减小上升阻力，如上图2俯视图所示。

（B）环形气流对尘粒的加速作用。如上图2主视图所示，假设尘粒没有受到环形气流的作用，那么它会受到一个单纯向上的气流作用力F1，而当同时受到环形气流作用力F2时，实际受到的作用力为二者的合力F，根据勾股定理，这个合力要永远大于两个分力，因此相比于只有力F1的作用，在合力作用下，尘粒可以再相同时间内获得更大的速度。

（C）可在局部形成高速环形气流，使贴附在地面处的尘粒得到加速，继而相互碰撞飞起悬浮在空中，有利于后续的垂直抽吸。同时，利用风机所排气体进行反吹的方式，使得气体在一个密闭的空间内得到循环利用，有效减少对周围的大气粉尘污染，并同时免去了体积庞大且难以维护清洗的空气过滤装置，节约了经济成本。

5 结语

本文分别从扫路车的气力输送系统发展现状和龙卷风的制作可行性入手，根据吸嘴的实际应用需要，将龙卷风原理融入到了吸嘴当中。该方案中的吸嘴创造性地利用风机尾气在吸嘴吸筒底部制造了环形气流（龙卷风），此处的环形气流在吸嘴的作业中起到了压降抽吸、尘粒加速和气体循环利用的作用，有效提高扫路车的抽吸效率并减少对周围气体的二次污染。