清扫车吸口气流速度及压力损失研究

张晨光，谢立扬

（长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

引风机是吸扫式清扫车的“心脏”。引风机造成的空气流动使吸口处形成负压，从而完成对垃圾的捡拾和吸送。引风机的选择对清扫车的清扫效率起决定作用［1］。在清扫车的设计过程中，风机是根据垃圾的类型与管路阻力的大小而定。其中，吸口处的压力损失是管路阻力计算的重要环节，约占总压损的30%［2-3］。吸口处的负压不仅要负责完成对垃圾的可靠收集，而且还对吸口处的除尘起一定作用。吸口处的气流速度越高，负压也就越大，水流的雾化程度越好，对垃圾尘粒的捕获、凝集作用越强，从而使除尘效果提高。但风机风量和风压的提高，会使设备能耗增加，噪声增大［4］。

长期以来，对于清扫车管路阻力尤其是吸口处的压力损失，还未提出一套合理的计算方法，更多的是依靠经验计算。因此，本文主要通过对吸口处的速度特性和压力分布进行分析，建立起吸口压力损失的计算模型，并利用Fluent流体力学软件进行仿真，为风机和管路系统的参数选择提供理论基础。

1 吸口压力特性分析

清扫车在作业过程中，利用高压风机在吸口与地面的间隙中产生强大的负压，从而形成较大的气流加速度。垃圾尘粒在高速气流的扰动下，其速度几乎从静止状态迅速加速到接近或等于气流速度。在这一过程中，吸嘴处的压力损失与空气密度、气流速度、吸口管壁摩擦系数、吸口管段长等参数有关。在清扫车作业过程中，吸口的工作过程可以看作是一种气固两相流的稀相输送过程。其中，对于粉尘状垃圾尘粒的输送，虽然其与空气的容积混合比Φ较低（Φ为垃圾尘粒与空气的速度比），一般低于5%，但混合较为均匀，且运动速度相当（即Φ≈1），可以看作与空气速度一致的一相流。密度ρs根据混合比的不同，在1.293～2.0kg/m3的范围内波动。对于吸入的较大体积的颗粒状或块状垃圾，由于其混合比的难预料性和物料性质的不确定性，很难按统一的形式计算。图1为典型的吸扫式清扫车的吸口模型。

图1 清扫车吸口模型

清扫车在工作过程中，吸口与地面之间始终会保持10mm左右的空隙，利用风机的引风作用在该处产生高速气流。垃圾在吸送过程中，先是利用高速气流在吸口外对其进行扰动，使其由静止状态开始加速，并跟随气流进入吸口内部；然后气流速度进一步增加，直至大于垃圾尘粒本身的悬浮速度，使垃圾尘粒从地面弹起，从而进入喉管，完成整个吸送过程。由以上的分析，根据吸口工况的典型性，可以将吸口对垃圾尘粒的吸送过程划分为3个区域：

（1）扰流区域（图1中Ⅰ区域：吸口前后气流入口以及贴附地面的区域）。为了使物料起动，从0到达稳定速度，必须消耗一定的气流能量。该区域内气流对垃圾尘粒进行扰动，使其随气流移动并进入吸口内部，压损记为ΔP1

式中 λ1为吸口扰动区域的压损系数；v1为扰动气流的速度。

（2）悬浮提升区域（图1中Ⅱ区域）。在吸口内部垃圾尘粒随气流离开地面，压损记为ΔP2

2 吸口气流速度特性分析

2.1 垃圾尘粒的起动

在入口区域，垃圾尘粒被清扫车收集之前，先要在清扫区域内利用高速气流对其进行扰动。当气流速度达到某一临界值时，垃圾尘粒便在切应力的作用下克服尘粒与路面之间的摩擦阻力，开始向前滚动或滑动。因此，将令垃圾尘粒由静止开始移动、翻滚的最小风速定义为该类型垃圾的起动速度。只有当气流速度大于启动速度时，垃圾尘粒才有可能移动，从而进入清扫车吸口的收集区域。在清扫车的气力收集系统中，起动速度对作业效果起到至关重要的作用。

对垃圾尘粒起动速度的研究主要借助于单个物体颗粒在水平管道内受到充分发展的稳态气流作用时的运动学原理。假定颗粒被静止放置在水平的管道内，且在水平方向上受力为0，当受到来自固定方向上的稳态气流时，颗粒开始起动，则

尘粒就会悬浮在气流中，这样便具备了负压吸送的基本条件。当气流速度大于垃圾尘粒的悬浮速度时，垃圾尘粒将随气流向上进入垃圾箱，从而实现了吸送。因此，垃圾尘粒的悬浮速度是决定其能否被清扫车吸送的固有条件。球形颗粒悬浮速度的计算公式如下

2.3 清扫车喉管风速

清扫车工作时，喉管内的高速气流要负责对由吸口进入的垃圾尘粒迅速加速到接近或等于系统的气流速度，因此，清扫车喉管风速的大小对保证清扫作业的高效率性起到非常重要的作用。同时，喉管风速及喉管截面积的大小还是清扫车进行风量计算、风机选型的重要依据，即为了保证清扫车的清扫效果，使各垃圾种类均可以被可靠吸送，必须选择较大的风机风量和喉管风速。但如果气流速度选取过大，必然以较大的功率消耗为代价，而且对除尘系统的性能要求也相应提高。因此，通常情况下，清扫车喉管风速应控制在40m/s左右，即v3≈40m/s。

3 基于Fluent软件的清扫车吸口仿真

为了对清扫车吸口的实际压力损失进行准确有效的计算分析，本文应用计算流体力学软件Fluent对吸口气路系统的流场进行了仿真［5-6］。

3.1 建立物理模型

图2 吸口物理模型

3.2 建立数学模型

清扫车在工作过程中，为了达到输送垃圾尘

和压强等数值，所以本次仿真采用Fluent软件提供的标准κ-ε模型作为湍流计算模型。

湍流动能方程（κ方程）

3.3 仿真初始化

经过计算，各入口和出口的湍流强度和水力直径分别为：3.33%、262.56mm，3.99%、62.69mm，4.36%、174.21mm，3.99%、162.69mm，2.73%、200mm。

3.4 仿真结果分析

为了便于观察吸口的内部流场，建立如图3、图4所示剖面。其中，图3为吸口底面的贴地流速矢内的吸口纵切面流速矢量图。

图3 吸口底面的贴地流速矢量图

图4 吸口纵切面的流速矢量图

分析可知：

（1）从图3、图4中可以看到，吸口入口区域的贴地风速可以达到22.1m/s，大于之前分析过的20mm水泥混凝土碎块的启动速度，因此可以成功对大部分垃圾类型进行扰动；在吸口内部，不同区域的气流速度差别较大，但存在风速大于24.3m/s的高速气流通道，可以实现对进入吸口内的垃圾尘粒的提升和悬浮；喉管处的气流速度较大，平均流速达到44.8m/s，满足对清扫车喉管风速的一般要求。

（2）该吸口采用“喇叭口”式形状，在吸口贴地区和吸口内部不存在明显的涡旋死区，含尘气流在进入到吸口后，主速度方向都是朝着喉管方向流动，这有利于降低携带垃圾气流在吸口中的停留时间，提高清扫效率。

（3）在吸口与外部的结合位置，气流在负压的作用下从外部进入吸盘，不存在由于气流外泄造成的二次污染。

综上所述，该吸口模型能够满足对绝大部分垃圾种类的可靠收集和输送，结构设计较为合理。

图5 吸口内部的压力分布图

为了便于分析，根据吸口扰流区、悬浮提升区和喉管区的划分范围在吸口内部选取3个特征截面用于计算，如图5所示。其中，截面A-A的均值压力为PA=-621Pa，均值流速为27.9m/s；截面B-B的均值压力为PB=-993Pa，均值流速为28.2m/s；截面C-C的均值压力为PC=-1929Pa，均值流速为44.8m/s。由此可以得到：

（1）清扫车吸口扰流区域的压力损失ΔP1=0-PA=621Pa，由公式（1）可以求得当v1=27.9m/s时，入口区域的压损系数λ1=1.06。

（2）吸口内部悬浮提升区域的压力损失ΔP2=PA-PB=370Pa，由公式（2）可以求得当v2=28.2m/s时，悬浮提升区域的压损系数λ2=0.62。

（3）喉管区域的压力损失ΔP3=PB-PC=936Pa，由公式（3）可以求得当v3=44.8m/s时，悬浮提升区域的压损系数λ3=0.62。

（4）得到吸口处总压力损失ΔP的计算模型如下

4 结束语

本文围绕吸扫式清扫车吸口处的气流速度和压力损失进行了相关研究，得出了以下结论：

（1）通过将清扫车吸口划分为3个功能区域，对影响吸口风速和压力的各个因素进行了分析，计算得出为了保证吸口对各种垃圾类型的可靠吸送，吸口扰流区域的气流速度应大于19.2m/s，吸口内悬浮提升区域的气流速度应大于24.5m/s，喉管风速应控制在40m/s左右。

（2）提出了一种适用于吸扫式清扫车的吸口模型，并利用Fluent软件进行了流体力学仿真，通过不同功能区域的流场分析，验证了其结构设计的合理性，该吸口模型能够满足对绝大部分垃圾类型的可靠收集和输送。

（3）通过对清扫车吸口内部3个特征截面的风速和压力分布进行分析，得到了吸口压损系数的取值，并建立了吸口处压力损失的计算模型，为清扫车风机和管路系统的参数选择提供了理论参考。