反吹式吸嘴离地间隙数值模拟研究

郗元，肖涛，成凯，赵士祥

（1.大连理工大学 盘锦产业技术研究院，辽宁 盘锦 124221；2.吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130022；3.一汽解放汽车有限公司，长春 130011；4.吉林紫金铜业有限公司，吉林 珲春 133300）

0 引言

伴随着国民经济飞速发展，大气污染问题也日趋严重[1-3]。扫路车作为道路清扫环保设备在提高作业效率的同时大大降低了人工成本，而吸嘴作为扫路车吸尘系统的核心部件，其工作性能举足轻重[4-6]。本文利用CFD方法对吸嘴工作时的离地间隙展开分析，探究最佳离地间隙，提高道路清扫车的除尘性能。

图1 反吹式吸嘴示意图

1 物理模型

图1为反吹式吸嘴结构示意图，主要由吸尘口、反吹口、吊耳和支撑轮组成。

2 数学模型

1）连续性方程：

式中:ρ为流体密度；ν为流体速度。

2）动量方程：

其中校正压力

式中:k为湍流动能；ε为动能耗散系数。

3 结果及分析

3.1 离地间隙影响分析

吸嘴工作时的离地间隙是通过橡胶支撑轮来保证，离地间隙的大小则直接影响垃圾进入风道的效果，即影响扫路车的清扫效果。仿真中设定车速为5 km/h，离地间隙δ分别为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，根据尘粒启动理论对近地面的速度场进行评定分析。为了从数值上更为直观地分析吸嘴设计的合理性，在近地面平面上取27个

图2 检测点分布示意图

检测点[7-9]，如图2所示。

离地间隙与测点速度变化规律曲线如图3所示，其中（a）、（b）、（c）分别为Y=45、Y=230、Y=405上测点的速度大小。

由图3（a）与图3（c）可知，不同离地间隙下测点速度随着X坐标的变化趋势较一致。随着X坐标值的增大，以X=1150 mm为界，不同离地间隙测点速度均先增大后减小，相同测点处速度值随着离地间隙的减小而增大。这是因为吸尘口在吸嘴行驶方向的右侧，吸尘口附近处吸尘功率及真空度均较大，从而使得近吸尘口处速度增大。在X=1300 mm（即测点1及测点19）处速度减小，这是因为测点1接近右侧及后侧进气面，真空度小，所以速度低。相同测点不同离地间隙下，离地间隙越小，吸嘴密闭性好且真空度大，因此吸尘效率较高，测点流速值较大。从图3（b）可知，随着X坐标值的增大，测点速度呈现出增大趋势，不同离地间隙下均在X=250 mm（即测点17）处出现驻点。对比不同离地间隙的近地面矢量图发现，以图4 δ=10 mm为例，检测点17处于“λ”型低速区域；从图4中不难看出，反吹式吸嘴在工作时，气流均由外向内流入，实现了无二次扬尘。根据砂砾启动速度[10-12]，离地间隙δ不大于10 mm较合适。

3.2 吸尘效率研究

图3 离地间隙与测点速度变化规律曲线

图4 δ=10 mm近地面矢量图

图5 总除尘效率与车速和离地间隙的变化趋势

除尘效率是衡量吸尘口吸尘性能的重要指标[13-15]，图5为总除尘效率与车速和离地间隙的变化趋势。相同车速下，离地间隙越大，则总除尘效率越低；相同离地间隙下，随着车速的不断提高，总除尘效率下降，当车速增大到一定程度时，总除尘效率以较快的速度开始下降。

车速相同情况下，离地间隙越大则密闭性较差，真空度下降，吸尘功率减小，致使气流速度减小，根据尘粒启动原理，速度的降低导致部分颗粒无法正常启动，所以相同车速下，离地间隙大吸入颗粒少，除尘效率低。

离地间隙相同情况下，以δ=10 mm为例，当车速分别为5 km/h和15 km/h时，Y=1170 mm截面处静压力分布如图6所示。吸嘴底部出现滞留区，随着车速的提高，滞留区个数增加且有向吸嘴边界移动的趋势。近吸尘口处低压区面积增大、压力值降低，降低了吸嘴的“有效工作效率”。

图6 截面Y=1170 mm静压力分布

4 结论

1）该反吹式吸嘴离地间隙δ不大于10 mm时，吸尘功率较大；2）吸嘴离地间隙δ=10 mm时，近地面存在“λ”型的低速区域；3）车速及离地间隙均对总除尘效率影响较大，相同车速下，离地间隙越大则总除尘效率越低；相同离地间隙下，随着车速的不断提高，总除尘效率下降。