基于Fluent 的洗扫车吸嘴流场分析与改进

黄帅帅， 张 沛， 姜卫生， 郭海乐， 张 喆

（河南省郑州市宇通重工有限公司， 河南 郑州 451482）

0 引言

随着城镇居民对居住环境需求的不断提高， 政府近年来对城镇环境的投入不断加大， 环卫机械化逐渐取代了人工劳动，对环境的改善起到了积极的作用。其中洗扫车被广泛应用于城镇的主要道路，它聚集了清洗、打扫地面及收集垃圾的功能， 极大的提升了城镇道路的清洁程度。洗扫车工作时风机转动带动空气流动，垃圾箱内形成较大负压，抽吸管内形成较大的风速，进入吸嘴内部的垃圾被卷起经抽吸管进入垃圾箱沉降。 当进入吸嘴的垃圾量较多或垃圾颗粒较大时， 部分区域的垃圾不易被卷入抽吸管内，在吸嘴后部某区域容易发生遗漏。为提升洗扫车抽吸垃圾的效果， 主要从洗扫车的气力输送系统优化方面入手， 如增大上装风机的型号和转速、 降低压力损失、优化吸嘴结构等方面入手。计算流体力学（CFD）在洗扫车气力系统优化过程中发挥重要作用， 其仿真结果可对洗扫车上装系统的结构优化设计进行指导[1]。

本文以某款18 吨纯电洗扫车的吸嘴结构为例，通过CFD 仿真对吸嘴流场进行分析和优化， 旨在解决吸嘴中间及抽吸管尾部易发生垃圾遗漏的问题。 为验证吸嘴流场分析及优化结果的实际效果， 需对原吸嘴结构进行试制改进，并装车后进行实车验证，比较吸嘴结构整改前后洗扫车的作业效果， 为CFD 仿真分析在洗扫车气力输送系统优化中发挥的作用进行探究。

1 理论基础

对于所计算的流动，CFD 均需求解连续性方程和动量方程；若该流动包含热量交换和可压缩流体时，还需对能量方程进行求解。

1.1 连续性方程

由质量守恒定律推导而来，适用于可压缩和不可压缩流动，表述为单位时间内某流体微元体质量的增加等于该时间间隔内流入该微元体的净质量：

式中：ρ—流体的密度；ν→—流体流速；源相Sm—从分散的二级相中加入到连续相的质量。

1.2 动量方程

表述为微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用于该微元体上的各种力之和，由牛顿第二定律得出：

式中：p—静压； g→和F→分别为重力体积力和外部体积力；τ=应力张量，可通过上述公式计算。

本文对吸嘴结构的流场进行分析，主要流体为空气，由于空气流速相对较低，忽略空气的可压缩性，求解计算时不需对能量方程的求解。

2 CFD 仿真分析

2.1 模型前处理

将如图1 所示的某款纯电洗扫车的吸嘴结构模型进行简化处理，吸嘴内部宽度为2000mm，删除对流场影响较小的结构，保留前挡胶皮、后尼龙滑块、吸嘴顶板、侧挡板及抽吸管结构， 处理后得到如图2 所示的流体域模型， 前挡胶皮、 后尼龙滑块、 左右侧板下方分别设置为interior-front、interior-back、interior-left、interior-right，求解时可以监测各interior 面的风量和风速。该吸嘴初始结构的高度为90mm，前挡胶皮、后尼龙滑块及侧板距离地面高度固定不变。

图2 流体域模型

图1 吸嘴结构模

2.2 求解设置

吸嘴内空气的流动属于低速流动，且流场趋于稳态，因此选择压力基求解器Pressure-Based type 和Steady 模型；考吸嘴内存在较多漩涡的情况，选择模拟涡流精度较高的Realizable k-epsilon 湍流模型；选择标准壁面方程。吸嘴外部环境域即为大气压， 因此外部环境域的入口设置为pressure-inlet，压力为0Pa；抽吸管出口设置为pressure-outlet，静压设置为-6000Pa。

2.3 仿真结果分析

表1 为仿真监测的各界面的空气质量流量和流速的数据， 可以看出interiorfront、interior-back 面空气的平均流速为64.22m/s 和51.68m/s， 图3 所示为抽吸管中心处前后方向截面的速度矢量图，可以看出该截面上位于抽吸管前后的空气流速在65m/s 以上。该空气流速已大于绝大多数垃圾的起动速度， 即大部分类型的垃圾进入吸嘴空腔后会被气流抬升，有利于垃圾的吸拾与收集[2]。

表1 各界面空气质量流量和流速

从图4 所示的吸嘴内部流线图可以看出， 由于洗扫车作业时吸嘴内部会存在较大的负压， 空气进入吸嘴空腔后形成了多个较为明显的强旋流。 经吸嘴边缘进入吸嘴空腔的垃圾颗粒在该旋流的作用下被吸入抽吸口， 卷吸作用是通过气力聚拢的方式来提升吸嘴抽吸垃圾的效果。 吸嘴空腔内越接近抽吸口的位置， 内部流场的速度越大， 垃圾越容易被卷入抽吸口。由于吸嘴中间的区域受到两侧抽吸口的共同影响，该位置的垃圾往抽吸口方向移动的分速度较小，被卷入抽吸口需要更长的时间，容易发生垃圾的遗漏；此外，当地面垃圾量较多或垃圾颗粒较大时，抽吸管对旋流卷入其下方的垃圾吸力不够大，也会导致该位置残留垃圾；这与洗扫车作业的实际情况基本一致。

图3 抽吸管处速度矢量图

图4 流场流线图

2.4 结构优化及分析结果对比

为增加洗扫车作业时抽吸管对地面的吸力， 使垃圾能够较快的进入抽吸管， 现对吸嘴的结构进行针对性的调整。 将吸嘴高度由90mm 降低至75mm 时，在同一边界条件下再次进行仿真分析。图5 为吸嘴内流场流线图，可以看出吸嘴中部流场变化较小， 仍存在吸嘴中间易遗漏垃圾的风险； 图6 为吸嘴高度改变后右侧抽吸管中间截面压强云图对比，可以看出吸嘴降低后，抽吸管下方地面与抽吸管内部的压力差梯度增大， 为下方的垃圾能够进入抽吸管内部创造了更为有利的条件[3]。

图5 流场流线图（吸嘴降低）

图6 右侧抽吸管中间截面压强云图对比

在吸嘴降低的基础上，继续对吸嘴继续进行优化。 为解决吸嘴中部垃圾易发生遗漏的问题，在吸嘴顶板中部增加被动反吹口， 被动反吹口进风口大小为115mm×15mm，高度45mm，伸入吸嘴内部。对结构优化后的吸嘴模型前处理后，在同一边界条件下再次进行求解计算。从图7 中可以看出，增加中部反吹口后，一定流量的空气在吸嘴内负压的作用下经反吹口进入吸嘴内部， 吸嘴内部中间区域的流线更加顺畅，表现为吸入吸嘴中间的垃圾可以更快的被抽至抽吸口处，有效提升该位置处垃圾向抽吸口运动的速度。

图7 流场流线图（增加反吹口）

通过仿真结果对比可以看出，降低吸嘴高度和增加被动反吹口可在一定程度上解决吸嘴中间易遗漏垃圾的问题。从图8 可以看出，抽吸管内风速较初始状态略有提升，抽吸管内风速越高，垃圾的输送效率越高，因此降低吸嘴高度以及吸嘴中间增加中部被动反吹口，有利于将垃圾吸拾至垃圾箱。

表2 为原结构和结构优化后的前挡胶皮、后尼龙滑块、 左右侧板、顶部反吹口处interior 界面及抽吸管出口处的流量和流速数据。从表中可以看出在同一边界条件下，结构优化后前挡胶皮、 后尼龙滑块、左右侧挡板下方的空气流量及流速略有下降，主要原因为一部分流量从中部反吹口进入吸嘴空腔，该位置存在较大的速度， 可对该位置未悬浮的垃圾二次加速，将垃圾更快地吹向两侧的抽吸口出， 缩短垃圾在吸嘴内部的停留时间， 在一定程度上解决吸嘴中间容易遗留垃圾的问题，改善洗扫车作业效果。

根据相关设计及验证经验， 若抽吸口处风速大于所吸拾垃圾的悬浮速度， 洗扫车的作业效果已能满足该作业场景的要求。 在此边界条件下结构优化前后的吸嘴抽吸口处风速均达到了50m/s 以上， 远大于大部分垃圾的悬浮速度， 即对洗扫车作业范围内地面上垃圾的吸拾已较为高效[2]。且吸嘴前挡胶皮、后尼龙滑块、左右侧挡板下方的空气流速均大于50m/s， 已大于常见垃圾的起动速度，大部分垃圾可以被旋流卷起经抽吸管吸入垃圾箱内。结构优化后抽吸口处的空气流量及流速均有一定增大，有利于提升洗扫车的作业效果。

图8 抽吸管处速度矢量图（增加反吹口）

表2 结构优化后各位置流量及流速

3 实车试验

结合上述仿真分析结果， 根据优化方案试制了如图9 所示的纯电洗扫车吸嘴结构，较原吸嘴结构调整如下：吸嘴高度降低15mm， 吸嘴顶部中间位置增加被动反吹口。 先后将两款吸嘴安装在同一纯电洗扫车上进行洁净率实验。洁净率实验参照企业标准，车速保持在8km/h，在长度为10.0m、 作业宽度为3.5m 的范围内均匀地铺设800g/m2的砂石颗粒 （其中砂子600g/m2， 石子200g/m2），选择同一档位来保证上装风机的转速保持一致，作业后将未被抽吸走的垃圾进行收集并称重，计算洁净率。

图10 为作业前路面砂石铺设情况，图11、图12 分别为吸嘴结构优化前后进行洁净率实验的效果图。 可以看出， 装载原吸嘴的洗扫车作业后有部分较大的石子不能经吸嘴吸入垃圾箱， 该遗漏的石子主要集中在吸嘴中间的部位，洁净率为98.2%。 装载结构优化后的吸嘴进行作业后，原遗漏砂石较多的中间区域基本无石子残留，洁净率进一步提高至99.0%，整体作业效果优于原状态。

图9 优化后吸嘴结构

图10 砂石铺设效果

图11 原吸嘴作业效果

图12 优化吸嘴作业效果

4 结论

为解决洗扫车作业时吸嘴中间及抽吸管尾部易发生垃圾遗留的问题，本文以某款纯电洗扫车为研究对象，对洗扫车气力输送系统中的吸嘴模块进行了研究。CFD 仿真分析表明，吸嘴高度由90mm 降低至75mm，且吸嘴顶部中间增加被动反吹口后，抽吸口对地面的整体吸力增强，中部被动反吹的空气可将垃圾吹向抽吸口处， 提升垃圾的吸拾效率。 实车试验结果表明，优化后的吸嘴改善了洗扫车作业时吸嘴中部及抽吸管尾部易遗漏垃圾的问题，提高了洗扫车作业时的洁净率。