郭员畅,章易程,张鸣凤,许彬,吴强运
地铁轨间区域吹吸式清扫工作状况的仿真研究
郭员畅1,章易程1,张鸣凤2,许彬1,吴强运1
(1. 中南大学交通运输工程学院,湖南 长沙 410075;2. 北京汽车集团越野车有限公司,北京 101300)
为研究不同工作状况对地铁轨间区域吹吸式清扫性能的影响,采用计算流体力学的方法对吹吸式清扫流场进行仿真计算,结合气固两相流模型分析地铁清扫车行驶速度对清扫性能的影响规律,并在此基础上运用动网格技术,研究中心排水沟和应答器等道床设施对吹吸式清扫流场的影响。研究结果表明:地铁清扫车工作时的行驶速度在不大于10 km/h范围内增大有利于提高清扫效率;中心排水沟的设置使得清扫流场的近地面平均速度和吸嘴出口平均速度减小,从而导致吹吸式清扫方式对中心排水沟的清扫性能降低;地铁清扫车工作于设置有应答器的区域时,应答器与吹、吸嘴的相对位置会对清扫性能产生影响,且清扫性能在应答器的封闭角处明显下降。
吹吸式清扫;工作状况;轨间区域;计算流体力学;气固两相流;动网格技术
随着城市地铁的快速发展,地铁的运营里程不断增加,对地铁的运营环境也提出了更高的要求,由于特殊的工作环境,地铁隧道内粉尘等垃圾容易堆积,极大地影响行车与乘客的安全。因此,需要针对地铁轨间区域的清扫方式进行专项研究,其中,真空吸尘系统便为地铁轨道的清扫提供了有效的方式。在真空吸尘系统的研究中,WU等[1−4]国内外学者针对单一吸尘口的结构参数和运行参数对清扫性能的影响进行研究。但是采用单一吸尘口的清扫方式,难以保证清扫效率。为此,部分学者提出了吹吸联动组合的清扫方式,郭关柱[5]提出一种吹吸循环清扫装置,并通过实验发现吹嘴和吸嘴之间的射流角度为60°时清扫效果最好。张灵等[6−7]经过仿真分析发现吹吸风量、风速和风口距离、尺寸的最佳组合值,并提出一种改进的吹吸风口过度面为流线型曲面的方案。郗元等[8−9]分析了L型反吹式吸嘴的结构参数和清扫车的运行参数对清扫性能的影响。张鸣凤等[10]提出了一种新型的针对地铁轨间区域的吹吸式清扫,并通过仿真分析优化了其结构参数。然而,上述研究并没有考虑清扫环境对清扫性能的影响,同时,对新型吹吸式清扫,没有研究如地铁清扫车行驶速度等运行参数对清扫性能的影响。本文运用CFD数值仿真技术,针对新型的轨间区域吹吸式清扫,研究地铁清扫车行驶速度对清扫性能的影响规律,并在此基础上,分析如中心排水沟和应答器等主要地铁道床设施对运动中的吹吸式清扫流场的影响,从而全方面分析工作状况对清扫性能的影响结果。
吹吸式地铁轨间区域清扫方式结构如图1所示,包括一组相对设置的吹嘴和吸嘴,其中,吹嘴的上端与地铁清扫车的吹风装置连接,吸嘴上端与地铁清扫车的抽风装置连接,来自吹风装置的高速气流经吹嘴喷向地铁轨道[11]之间的区域,将轨间区域内的垃圾吹起,再由抽风装置提供的负压将垃圾随气流吸入吸嘴之中,吸入的垃圾最终进入地铁清扫车的集尘装置中[10, 12]。根据文献[10],为获得较好的清扫效果,以优化后的结构参数为研究对象,吹嘴和吸嘴的结构和位置参数如表1所示。
(a) 结构参数;(b) 位置参数
为了使得流场内的气体充分发展,让计算结果更加准确,通常在计算流场的周围添加适当的扩展域,使气体的流动更符合实际情况[13]。其添加扩展域后模型如图2所示。
图2 流场计算域结构图
表1 吹、吸嘴主要参数尺寸
吹吸式清扫的流场计算域关于轨道纵向中心面对称,为了提高计算效率,取其一半的模型进行分析,由于其结构不规则,尤其是靠近轨道侧处模型曲率较大,而非结构化网格可以更好地适应不规则模型区域,因此运用ANSYS Meshing网格划分组件对模型进行四面体网格划分,计算网格如图3所示,其网格数为521 319,网格单元最大畸变度为0.846 65,平均畸变度为0.256 5,网格最大正交程度质量为0.995 61,平均正交程度质量为0.844 38,网格质量符合仿真要求。
图3 流场网格模型
中心排水沟[14]的宽度为760 mm,深度为400 mm。为了研究吹嘴和吸嘴完全处于中心排水沟上方时清扫流场的特性,将中心排水沟的长度设置为1 000 mm,如图4所示。为了便于仿真计算,将吹、吸嘴对于中心排水沟的相对运动转变为中心排水沟对于吹、吸嘴的相对运动。因此,定义中心排水沟区域为运动域,并定义中心排水沟靠近吸嘴的一侧端面为排水沟前端面,将排水沟前端面到吸嘴的距离定义为L,定义作业方向为负方向,同时,排水沟前端面刚好处于吸嘴下方时L定义为0。为了保证仿真结果更加符合实际情况,将吸嘴和吹嘴的下部扩展区继续扩大。采用非结构化四面体网格进行划分,为了便于显示道床设施在清扫流场中的网格划分,取其对称面网格模型,如图5所示,但是在仿真计算中采用的是全网格模型。
图4 吹、吸嘴与中心排水沟的初始位置
图5 含中心排水沟的流场网格模型
应答器[14]安装于2轨道的中间,距离轨道侧的距离为140 mm,长200 mm,宽390 mm,如图6所示。同样将应答器区域定义为运动域,并定义应答器靠近吸嘴的一侧端面为应答器前端面。将应答器前端面到吸嘴的距离定义为L,将作业方向定义为负方向,同时,应答器前端面刚好处于吸嘴下方时L定义为0。采用非结构化四面体网格进行划分,其网格模型如图7所示。
图6 吹、吸嘴与应答器的初始位置
图7 含应答器的流场网格模型
吹嘴入口采用质量流量入口,空气流量值为4.6 kg/s。吸嘴出口采用压强出口,设置相对压强为−2 300 Pa。与大气连通的扩展域表面设为标准大气压强。为了模拟地铁清扫车的行驶状况,吹、吸嘴的壁面设为移动壁面,其余壁面设为无滑移壁面。由于清扫流场内部包含流动的气体以及随气体运动的垃圾颗粒,所以流场特征为气固两相混合流,计算时多采用欧拉−拉格朗日模型,采用DPM模型对其进行仿真计算。设置射流源为面射流源,入射面为轨间区域扩展域的底面,吸嘴出口设置为颗粒捕捉面,颗粒类型设为惯性颗粒,材料为铁屑,铁屑直径设置为3 mm,颗粒流量设置为0.5 kg/s。
采用有限体积法对控制方程进行离散,由于吹吸式清扫流场内部的气体流动状态比较复杂,属于强旋流的湍流形式[15],所以其计算模型采用Realizable−方程。采用基于压力的隐式求解,采用二阶迎风格式处理离散相,对行驶速度的计算模型,采用Simple算法进行瞬态求解,时间步长设为0.01 s,对中心排水沟和应答器计算模型,为减少计算高度扭曲网格时所遇到的收敛性困难,采用PISO算法进行瞬态求解[16],时间步长设为0.005 s。
为了防止局部网格产生严重的畸变,采用弹性光顺法和局部网格重构法进行动网格更新。利用UDF中的DEFINE_CG_MOTION宏定义道床设施区域的运动,运动区域与静止区域之间交界面的信息交换通过滑移网格来实现。
式中:为经验系数;为尘粒密度;为颗粒直径;为重力加速度。
根据式(1)和朱伏龙[19]的实验结果,直径小于3 mm的铁屑尘粒的启动最大速度为20 m/s。
根据尘粒启动理论,只有近地面气流速度大于尘粒启动速度时,尘粒才能被吹起,而吸嘴的出口速度决定着吸入的尘粒能否顺利进入集尘装置,同时,清扫效率是评价清扫车性能的主要指标[20],其计算如式(2):
式中:为清扫效率;1为注入的总颗粒数量;2为吸嘴出口捕捉的颗粒数。
为此,选择吸嘴出口平均速度、近地面平均速度和清扫效率作为评价吹吸式清扫性能的指标。
地铁清扫车在工作时与垃圾具有一定的相对速度。过快的清扫车行驶速度使得垃圾还未清扫干净,清扫车已经驶离该区域,降低清扫性能,过慢的行驶速度则会导致工作效率降低。图8所示为吹吸式清扫工作时内部气体速度流线图,可以看出吹嘴吹出的气流在轨间区域形成密闭气幕,同时在吸嘴负压的作用下,携尘气流被吸入吸嘴内部。
图8 吹吸式清扫流场速度流线图
地铁清扫车行驶速度与评价指标的关系曲线如图9所示。随着地铁清扫车行驶速度的增加,近地面平均速度、吸嘴出口平均速度几乎无明显变化。产生上述现象的原因在于:虽然气体吹出吸嘴后会因地铁清扫车的行驶所带来的惯性而速度增加,但空气受惯性的影响较小,从吹嘴出口吹出的气体主要受吹嘴入口流量的控制。因此,近地面平均速度和吸嘴出口平均速度几乎无明显变化。
反观清扫效率的变化曲线,当行驶速度低于10 km/h时,清扫效率随着行驶速度的逐渐增大而增大,随着行驶速度的进一步增大,清扫效率开始逐渐降低。其原因在于:当行驶速度小于10 km/h时,适当增加清扫车的行驶速度,使得铁屑与吸嘴的相对速度增加,更多的铁屑颗粒向吸嘴方向运动,导致吸嘴吸入的颗粒数增加,从而提高清扫效率。
当行驶速度大于10 km/h时,继续提高行驶速度,铁屑受惯性的影响较大,使得部分铁屑相互碰撞后,相继由扩展区处逃出,吸嘴吸入的颗粒数减少,如图10所示。因此,清扫效率开始降低。
图9 地铁清扫车行驶速度对评价指标的影响
图10 行驶速度15 km/h的颗粒运动轨迹
为达到最好的清扫效果,对道床设施仿真计算,以优化后的运行参数为边界条件,即地铁清扫车以10 km/h的行驶速度清扫轨间区域与道床设施。
中心排水沟前端面到吸嘴的距离L对速度的影响如图11所示。随着排水沟前端面与吸嘴的距离L的增加,近地面平均速度与吸嘴出口平均速度均出现先减小再增大、再减小再增大,最后趋于稳定的现象。
图11 中心排水沟到吸嘴的距离对评价指标的影响
产生上述现象的原因在于:当排水沟前端面与吸嘴的距离L小于0时,由于排水沟的前端面与吸嘴还未交会,吹吸式清扫流场的各进气面积基本不变,流场内的气流流量变化较小,因此近地面平均速度改变量不大。由于排水沟区域逐渐靠近吸嘴,使得吹嘴吹出的气流进入排水沟的流量增大,而吸入吸嘴的气体流量减小,吸嘴出口平均速度减小;当排水沟前端面与吸嘴的距离L在0~0.3 m时,吸嘴开始进入排水沟区域,随着L的增加,清扫流场的中间扩展区的进气面积突然增大,导致近地面平均速度减小。流场总进气面积的增大,使得总进气量增加,而吸嘴出口的面积不变,使得吸嘴出口平均速度增加;当排水沟前端面与吸嘴的距离L在0.3~0.68 m时,吸嘴处于排水沟区域,吹嘴逐渐靠近排水沟还未与其交会,虽然排水沟区域导致中间扩展域的进气面积增加,但是更多气流从吹嘴处吹来,使得近地面平均速度增加,同时,更多吹向排水沟的气流也阻碍了部分进入吸嘴的气流,导致吸嘴出口平均速度下降;当排水沟前端面与吸嘴的距离L在0.68~1.0 m时,吹嘴开始进入排水沟区域,随着L的增加,吸嘴和吹嘴完全处于排水沟区域,吹嘴吹出的气体更多的流入排水沟内,如图13所示,造成大量气体流量损失,因此近地面平均速度和吸嘴出口平均速度均减小;当排水沟前端面与吸嘴的距离L在1.0~1.55 m时,吹嘴开始脱离排水沟区域,中间扩展区的进气面积开始减小,整体流场的流量损失逐渐减小,因此近地面平均速度和吸嘴出口平均速度增加;当排水沟前端面与吸嘴的距离L大于1.55 m时,吹嘴和吸嘴完全脱离排水沟,清扫流场的各进气量不再发生变化,因此近地面平均速度和吸嘴出口平均速度几乎无明显变化。
图12 含中心排水沟的前后对称面速度云图
从图11和图12可以看出,在吹嘴和吸嘴进入排水沟区域后,近地面平均速度和吸嘴出口平均速度总体上均有下降的趋势,尤其是吹嘴和吸嘴完全处于排水沟区域内时,近地面平均速度和吸嘴出口平均速度显著下降,并达到最低值。并且,在排水沟的角落处,气流的流速最低。
图13为应答器前端面到吸嘴的距离L对速度的影响。随着应答器前端面与吸嘴的距离L的增加,近地面平均速度呈现出先减小再增大再减小,最后趋于稳定的现象;吸嘴出口平均速度呈现出先减小后增大,最后趋于稳定的现象。
图13 应答器到吸嘴的距离对评价指标的影响
产生上述现象的原因在于:当应答器前端面与吸嘴的距离L小于0时,应答器还未与吸嘴交会,随着L的增加,应答器对清扫流场中吸嘴的进气量干扰作用增大,使得流场的进气量减小,近地面平均速度和吸嘴出口平均速度均减小;当应答器前端面与吸嘴的距离L在0~0.2 m时,应答器逐渐进入吹、吸嘴之间区域,应答器对吸嘴进气量的干扰作用更大,使得吸嘴出口平均速度显著减小,同时,应答器的存在也严重阻碍了来自吹嘴的气流,使得近地面气流需要绕过应答器区域,导致近地面平均速度减小;当应答器前端面与吸嘴的距离L在0.2~0.55 m时,应答器完全处于吹、吸嘴之间,随着L的增加,应答器逐渐远离吸嘴,从而减少对进气量的干扰,使得吸嘴出口平均速度增大,同时,由于应答器的存在,导致扩展域内近地面气流的横截面积减小,在吹嘴吹出气体流量一定的情况下,近地面平均速度必然增大,并且由于应答器逐渐靠近吹嘴,吹嘴吹出的部分气流直接流过应答器上部,其速度云图如图14(a),因此近地面平均速度显著增大;当应答器前端面与吸嘴的距离L在0.55~0.72 m时,应答器前端面逐渐靠近吹嘴直至与吹嘴交会,吹嘴吹出的更多气流直接流过应答器上部,而只有少部分的靠近吹嘴的近地面气流横截面积减小,其速度云图如图14(b),所以相比于应答器距离吹嘴较远时,近地面平均速度有一定的下降,而此时应答器距离吸嘴距离较远,对吸嘴进气量基本无影响,因而吸嘴出口平均速度基本不变;当应答器前端面与吸嘴的距离L在0.72~0.92 m时,应答器逐渐离开吹、吸嘴之间区域时,应答器对吹嘴吹出的气流的干扰越来越小,导致近地面平均气流适当增大,从而使得吹嘴吹出的气流更容易被吸嘴吸入,吸嘴出口平均速度也相应增加;当应答器前端面与吸嘴的距离L大于0.92 m时,应答器完全脱离吹、吸嘴之间区域,对清扫流场几乎不产生任何影响,故近地面平均速度和吹嘴出口平均速度基本不变。
(a) 应答器位于吸嘴附近;(b) 应答器位于吹嘴附近
从图13和图14可以看出,在应答器进入吹、吸嘴之间区域后,近地面平均速度和吸嘴出口平均速度总体上均有减小的趋势,并且,在应答器恰好完全进入吹、吸嘴之间区域时,2速度同时下降到最低值,此时,吹吸式清扫方式的清扫性能下降最为明显。同时,在应答器的封闭角处,近地面气流的流速低于20 m/s的尘粒启动速度,导致该处的尘粒难以吹起。
1) 地铁清扫车的行驶速度对清扫效率的影响较大,而对近地面平均速度和吹嘴出口平均速度的影响几乎可以忽略不记。同时,在行驶速度为10 km/h的工况下吹吸式清扫方式的清扫效率最高。
2) 中心排水沟会对吹吸式清扫性能产生影响,当吹吸式清扫方式工作于中心排水沟上方时,近地面平均速度和吹嘴出口平均速度均减小,降低排水沟处的清扫性能。
3) 吹吸式清扫方式在设置有应答器的区域内作业时,应答器与吹、吸嘴的相对的位置对清扫性能产生一定的影响,且在其封闭角处清扫性能显著降低。
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Simulation study on the working conditions of blow-suction cleaning between subway-rails
GUO Yuanchang1, ZHANG Yicheng1, ZHANG Mingfeng2, XU Bin1, WU Qiangyun1
(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. BAIC Group Off-road Vehicle Co. Ltd, Beijing 101300, China)
In order to study the influence of different working conditions on the performance of blow-suction cleaning between subway-rails, the computational fluid dynamics method was applied to simulate the blowing-suction cleaning flow field, the influence rules of subway sweeping speed on cleaning performance was analyzed combined with gas-solid two phase flow model. Based on these rules, the dynamic grid technique was used to analyze the effect of subway channel equipment such as central ditch and transponder on the cleaning flow field. The main results are as follows. The driving speed of the subway sweeper increases within a range of no more than 10 km/h, which is beneficial to improve the cleaning efficiency. The setting of central drain leads to a decrease in the average airflow velocity near ground and the average airflow speed of suction mouth outlet in the cleaning flow field, which results in decline in cleaning performance of the blowing-suction cleaning for the drain. When subway sweeper works in a area where transponder is installed, the relative position of it to blow mouth and suction mouth affects the cleaning performance, and the cleaning performance evident declines at the closed corners of transponder.
blow-suction cleaning; working conditions; area between two rails; computational fluid dynamics; gas-solid two phase flow; dynamic grid technique
10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190851
U216.1
A
1672 − 7029(2020)07 − 1857 − 08
2019−09−21
中南大学2018年创新创业师生共创资助项目(2018gczd025)
章易程(1965−),男,湖南长沙人,副教授,博士,从事环保装备、流体机械、非标机械设计等研究;E−mail:yczhang@csu.edu.cn
(编辑 蒋学东)