水射流除线的真空回收系统仿真与试验分析

杨昆, 刘力红, 杜鹏

(安徽理工大学机械工程学院，淮南 232001)

高压水射流道路交通标志线清除系统是目前世界上应用十分广泛的一种道路标线清除系统，具有清除道路标线效果好、效率高、成本低等优点。中外学者对此系统做了相关研究。文献[1]设计了一款适合韩国道路状况的高压水射流道路标线清除车，该系统包含高压水射流系统、真空抽吸系统、路况监测系统以及执行机构。文献[2]通过计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)仿真研究了喷嘴收缩角、入口直径、出口半径长度等参数对喷嘴内流场的影响。文献[3]对超高压水射流系统清除交通标志线进行了研究，设计了清除交通标线的执行机构，考虑了真空回收系统，并通过试验研究了射流压力、射流盘转速对清洗质量的影响。文献[4]对水射流清除道路交通标线的影响因素进行了试验研究。文献[5]通过试验研究了前混合磨料射流的相关参数对标线清除率的影响。文献[6]通过仿真分析研究了几个主要影响因素对标线清除率的影响。文献[7]对高压水射流道路标线清除系统中的增压系统进行了独立研究，并对增压器进行了结构设计。以上学者对高压水射流道路标线清除系统进行了非常全面的研究，但是基本上都忽视了对该整体中另外一个十分重要的系统——真空回收系统的研究。真空回收系统在高压水射流道路标线清除系统中具有重要作用，它利用真空负压的作用将清除标线过程中产生的废水残渣进行回收，保护了道路环境，降低了对道路正常交通的影响，同时节约了人力成本。因此，现以真空回收腔为研究对象，通过仿真和试验研究不同参数条件下真空系统的回收效果，以期得出有利于提高回收效果的参数组合。

1 真空回收腔的设计与流场分析

1.1 真空回收腔设计

为达到标线“即除即净”的效果，将回收腔设计为双层中空的圆环状结构，如图1所示。其工作原理是：高压水射流通过中间的入口接入回收腔内部，回收腔内部是水射流清除标线时喷嘴的工作区域，内壁与外壁之间则是负压工作区域，此区域通过软管连接真空回收箱与真空泵。道路标线在高压水射流的作用下从路面剥离，标线残渣和水的混合物在真空泵抽吸作用下通过负压区域进入真空箱暂时储存。因大部分道路标线的宽度处于150～200 mm，同时真空回收腔的大小将会影响回收时的效率，故将喷嘴工作区域的直径设计为260 mm，高度确定为150 mm，既保证射流的清洗面积可以覆盖标线，又避免射流冲击到内壁表面，损坏设备。

图1 真空回收腔

1.2 真空回收腔仿真建模

对真空回收腔在工作状态下内部水流的运动状态进行模拟仿真。图2为真空回收腔的几何模型，中间的孔口为高压水进入口，边缘的孔口是真空回收口，即该模型的水流出口。使用六面体网格对该模型进行网格划分，网格数量为166 149个，节点数量为189 821个。图3为该模型的网格划分情况。

图2 真空回收腔模型

图3 网格划分情况

1.3 真空回收腔流场仿真

1.3.1 真空回收腔仿真边界条件设置

边界条件的设置应该符合实际应用情况，选择压力入口与压力出口边界条件进行设置[8-12]。根据相关文献，当纯水射流的压力参数达到80～110 MPa时，水射流对道路表面废旧标线的清除率可以达到预期，在其他条件不变的情况下，压力越高，清除效果越好，但压力过大可能导致路面基体破坏，因此将水射流压力设置为100 MPa。真空回收腔的回收口(模型中的水流出口)参数设置为多个压力参数，分别为-0.015、-0.025、-0.035、-0.045 MPa。

1.3.2 真空回收腔出口流体速度分布

图4为在不同的真空回收压力下真空回收腔水流出口处的流体速度分布图，分别给出了真空泵抽吸压力为-0.015、-0.025、-0.035、-0.045 MPa时回收腔水流出口处的流体速度分布。结果表明，随着真空泵抽吸压力的增大，出口中水流的最大速度有所增加，从126.197 m/s增加到129.893 m/s；水流最小流速也在增大，从18.028 m/s增加到18.556 m/s。水流流速增加，单位时间流过出口的流量也增大，表明回收系统的回收能力有所提高。

图4 水流出口速度分布图

1.3.3 真空回收腔内部流线分布

图5为在不同的真空回收压力下真空回收腔内部水流的流线分布图，分别给出了真空泵抽吸压力为-0.015、-0.025、-0.035、-0.045 MPa时回收腔内部水流的流线分布图。

图5 回收腔内部流线分布图

仿真结果表明：当抽吸压力为-0.015 MPa时，高压水射流打击到路面标线表面后会发生较大的溅射与扩散，在真空回收腔内部的射流工作区域形成大片的涡流，只有很小一部分水流被负压抽吸到水流出口，回收能力严重不足，且涡流在射流工作区域积聚，会在地面形成一层水膜，影响高压水射流对路面标线的清除效果。

当抽吸压力为-0.025 MPa时，水射流打击到路面标线表面后发生的扩散减小，在真空回收腔内部射流工作区域存在的涡流减少，有较多的水流从周围的回收腔流向水流出口，回收能力明显增强。

当抽吸压力为-0.035 MPa时，水射流打击到路面标线表面后发生的扩散进一步减小，在真空回收腔内部射流工作区域存在涡流的区域也在减小，系统的回收能力进一步增强。

当抽吸压力为-0.045 MPa时，水射流打击到路面标线表面后大部分水流都会被负压抽吸进入水流出口，发生的扩散已经很小，系统回收能力在四种压力下最强，涡流只在靠近回收腔回收口的内部区域产生，这是因为负压抽吸作用使水流在该位置发生积聚，高压射流打击到路面标线表面后发生反溅形成具有一定速度的反溅射流，反溅射流会扰动在该区域积聚的水流，使之形成涡流。

从整体来观察，随着真空泵抽吸压力的增大，流向水流出口的流线分布区域在逐渐减小，最终都聚集到真空回收腔回收口附近，这是因为回收腔只设计了一个回收口，回收腔内部的压力分布不均匀所致。仿真结果表明，随着真空泵抽吸压力的增大，回收腔内部水流的流线分布越紧密，流线也越顺滑，系统回收能力也越强。

2 真空回收试验研究

2.1 试验设计

2.1.1 试验影响因素与参数水平设计

在设计研究真空回收系统回收率试验时，只考虑了真空泵抽吸压力、吸口离地间隙以及射流系统的工作压力这三个因素对回收率的影响。为了达到较为系统的试验结果，为每一个因素选择4个参数水平使用正交法进行试验设计[13-14]。水射流系统的工作压力原为80～100 MPa，由于设备限制，本试验中水射流参数设置较小，为3～6 MPa，这样设置参数有以下原因：第一是本试验所用高压泵站额定工作压力较低，达不到80 MPa；第二是因为本试验仅研究真空回收系统相关参数对真空系统回收率的影响，不研究相关参数对标线清除效果的影响；第三由于系统限制，试验在室内进行，而且本试验诸多环节需要手工操作，当射流压力超过10 MPa之后射流冲击力较大且存在安全隐患。表1为在考虑诸多因素后确认的试验参数设置。

2.1.2 正交试验设计

根据表1设置的试验因素与参数水平，本试验为3因素4水平正交试验，可以选择四水平正交表L16(45)进行试验设计。根据选定的试验影响因素、因素参数水平和正交试验表，拟定的正交试验方案如表2所示。

表1 试验参数设置

表2 正交试验方案

2.2 试验评价指标

在本试验中，以真空回收系统的回收率来表征系统的回收能力，回收率越大，表示系统工作能力越强，参数水平越优。以流体的质量流量来计算真空回收系统的回收率，即回收的水和标线材料的混合物的质量与通过理论计算得到的水和标线材料的总质量的比值。在计算真空回收系统回收率之前，需要确定几个试验参数：使用的是直径为1 mm的圆柱收缩型喷嘴，射流持续时间为30 s，每一次添加的道路标线材料的质量均为50 g。据此可以计算出高压水射流系统的理论流量为

(1)

式(1)中：qt为射流流量，L/min；d为喷嘴出口直径，mm；p为高压水射流系统的射流压力，MPa。

根据理论流量，可以计算出一段时间内高压水射流系统的理论质量流量为

m1=ρqtt

(2)

式(2)中：m1为高压水射流系统理论质量流量，kg；ρ为水的密度，取ρ=1 000 kg/m3；t为水射流持续时间，t=0.5 min。

因此，真空回收系统的回收率可表示为

(3)

式(3)中：η为真空回收系统的回收率，%；m2为试验添加的道路标线材料的质量，每次均为0.05 kg；m为真空回收系统回收的混合物的质量，kg。

通过式(1)～式(3)，便可以对试验测量得到的数据进行计算分析得到每一组试验后真空回收系统的回收率。

2.3 正交试验极差分析

根据表2的正交试验方案进行试验，通过极差分析法对试验结果进行分析，将试验结果和采用极差法处理数据得到的结果一并列入表3。为了便于描述，表3中试验影响因素真空泵抽吸压力、吸口离地间隙以及系统射流压力分别用A、B、C表示，用下标(1)、(2)、(3)、(4)表示该试验参数分别对应正交试验设计中的参数水平1、水平2、水平3和水平4。

表3 正交试验极差分析表

Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj、Ⅳj为与各因素相关的回收率之和，Ⅰ为参数水平1，Ⅱ为参数水平2，以此类推，j为列数，即影响因素；Rj为该列对应的Ⅰj、Ⅱj等的最大值与最小值之差，即极差。

2.4 试验结果

根据表3正交试验极差分析的结果，可以作出如下分析。

2.4.1 各试验因素对试验结果的影响程度

在试验的三个影响因素中，因素A的极差最大，为89.87，因素C的极差大小排第二，为48.88，因素B的极差最小，为47.30。说明本试验中真空泵抽吸压力对真空系统回收率的影响最明显，在高压水射流清除道路标线的实际工况中如果出现废水残渣回收效果不理想的情况，首先要改变的就是真空泵的抽吸压力。

2.4.2 较优参数水平的确定

在本试验中，以真空回收系统的回收率作为衡量系统工作能力的指标，回收率越大，表示系统工作能力越强。对比Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj和Ⅳj的数值大小，最大值分别为Ⅳ1、Ⅰ2和Ⅰ3，因此因素A取4水平，因素B取1水平，因素C取1水平。在此试验中的较优方案为A4、B1、C1。

2.4.3 指标随各因素的变化情况

为了便于比较，将三个影响因素(真空泵抽吸压力、吸口离地间隙、系统射流压力)的水平作为横坐标，某一参数水平下真空系统的回收率之和作为纵坐标，绘制回收率随因素各水平的变化情况图，如图6所示。

由图6可知，对于因素A，随着抽吸压力增大，回收率呈上升趋势，即抽吸压力越大参数水平越优。对于因素B，随着吸口离地间隙的增大，真空系统的回收率呈下降趋势，因此吸口离地间隙越小，水平越优。但在清除道路标线的实际工况中，真空回收腔与地面之间必须存在一定的距离，以防止回收腔与地面发生摩擦，这就需要根据实际工况来确定一个最小值。为给真空回收腔提供一个类密封的工作环境，这个距离可以安装多层高密度的毛刷，同时毛刷也可以将标线附近路面的树叶等垃圾清理掉。

A、B、C为试验因素；1、2、3、4为该因素对应的参数水平

对于因素C，回收率随着射流压力的升高呈现降低趋势，射流压力越低，参数水平越优。但是，系统射流压力不仅影响真空系统的回收率，同样也是影响高压水射流对道路标线清除率的重要参数，射流压力越低，对于道路标线的清除率越低，因此在实际工况中，系统射流压力的选择需要在保证射流对道路标线的清除率的前提下尽量选择数值较小的射流压力，这样既能保证道路标线的清除效果，又能达到真空回收系统较高的回收率，还可以降低高压水射流系统的功耗、延长系统的使用寿命。

3 结论

针对高压水射流道路交通标志线清除设备中真空回收腔的仿真研究与真空回收系统的试验研究，得到如下结论。

(1)仿真结果表明随着真空泵抽吸压力的增大，回收腔内部水流的流线分布越紧密、流线形状越顺滑，系统回收能力越强。

(2)试验结果表明三个影响因素对真空系统回收率的影响大小顺序为：真空泵抽吸压力>系统射流压力>吸口离地间隙。真空泵抽吸压力为-0.045 MPa、吸口离地间隙为5 mm、系统射流压力为3 MPa时真空系统回收率较大。

本试验平台是基于实际真空抽吸系统搭建的相似试验系统，试验中系统射流压力较小，与实际工况相比相差较多，但是试验所得的参数变化趋势在实际工况中具有参考价值。