基于Fluent VOF模型的洗扫车垃圾箱污水倒灌分析与改进

基于Fluent VOF模型的洗扫车垃圾箱污水倒灌分析与改进黄帅帅; 徐浩; 张沛; 马迎坤
【期刊名称】《《机电产品开发与创新》》
【年(卷),期】2019(032)004
【总页数】4页(P25-27,57)
【关键词】洗扫车; 垃圾箱; 抽吸管; 污水; 倒灌
【作者】黄帅帅; 徐浩; 张沛; 马迎坤
【作者单位】郑州宇通重工有限公司河南郑州451482
【正文语种】中文
【中图分类】U469.6+91
0 引言
近年来政府对环境污染的整治力度不断加大，环卫行业也得到了快速的发展，环卫车辆的种类和保有量都在不断增加，其中以洗扫车[1]最受欢迎。

洗扫车作业时，
通过扫刷将作业宽度范围内地面上的垃圾扫入车辆底部，配合两侧及吸嘴后部的高压水冲洗地面，借助吸嘴内的强大负压将垃圾和污水抽吸入垃圾箱内进行沉降[2]。

垃圾箱内污水水位到达报警高度后自动停止作业，此时洗扫车需要开到指定地点进行排污，在转运过程中车辆刹车制动时，污水由于惯性作用必然发生前后晃动，严重时污水会从吸嘴处倒灌出来，使路面积存大量污水，造成二次污染，该问题在行业内普遍存在。

计算流体力学（CFD）在研究环卫车吸嘴[3]、垃圾箱[4]、风机[5]以及气力输送系统[6，7]发挥着重要的作用。

为了改善垃圾箱污水倒灌的问题，本文以某款18吨纯电洗扫车上装垃圾箱为研究对象，利用流场仿真软件Fluent模拟刹车制动过程
中垃圾箱内污水的晃动情况，统计抽吸管出口处的污水反灌量，根据该仿真结果对污水箱内部结构进行优化。

为验证优化方案的实际效果，对实车进行优化方案整改，比较优化前后相同刹车工况下的污水倒灌程度。

1 理论基础
流体流动必须遵守质量守恒定律、牛顿第二定律和能量守恒定律，这三个基本的物理学原理可以推导出流体流动的控制方程。

1.1 连续性方程
单位时间内流体微元体重质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，由质量守恒定律推导而来，表述为：
式中：ρ—流体的密度；v—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
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，表述为：
式中：p—静压；gi和 Fi分别为 i方向上的重力体积力和外部体积力；τij—应力
张量。

1.3 能量方程
微元体内能量的增加率等于进入微元体的净热量加上体积力与表面积对微元体所做的功，由能量守恒定律推出。

在研究该气液流动案例时，能量交换较少，可不考虑
能量方程。

VOF（Volume of Fluid）模型适用于求解分层流和需要追踪自由表面的流动问题，如计算空气和水不能互相融合的流体流动。

在利用VOF模型求解时，不同流体组
分共用一套动量方程，计算每个网格单元内各组分流体的体积分数。

对于第q项
流体，体积分数方程表述为：
式中：mqp—从q相转移至p相的质量；mpq—从p相转移至q相的质量；
αq—该相的体积分数。

VOF模型通过求解各项流体体积分数的连续性方程，实现相间界面的追踪。

2 CFD仿真分析
2.1 模型处理及网格划分
将垃圾箱1：1三维模型进行简化处理，保留内部抽吸管、防波板、导流罩及顶部风道结构，去除圆孔以及对流场影响较小的倒角特征，抽取流体域。

垃圾箱流体域模型如图1所示，在划分网格前将抽吸管出口和风道出口设置为压力出口pressure-outlet，抽吸管、导流罩与箱体壁面设置为Wall边界，风道与垃圾箱接触面设置为内部边界 interior。

将流体域模型进行网格处理，设置面尺寸为5～30mm，将生成面网格进行优化，生成多面体网格，网格数约为 1，000，000，调节体网格网格质量 skewness＜0.7，体网格剖面如图2所示。

其中气流流向变化较大的抽吸管出口、导流罩附近
进行网格加密处理，提高计算精度。

图1 垃圾箱流体域模型Fig.1 Fluid domino of bin
图2 流体域体网格示意Fig.2 Volume mesh of fluid domin
2.2 求解设置
选择压力基求解器Pressure-Based type，为模拟反灌的整个变化过程选择
Transient模型，重力加速度9.81m/s2；考虑垃圾箱内存在漩涡的情况，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。

垃圾箱与大气连通，故箱体内初始状态为标准大气压，因此风道出口和抽吸管出口的表压均设置为0Pa。

编译UDF文件，设定洗扫车制动过程中在汽车前进方向加载加速度为-0.4g，即车辆以20km/h的速度行驶的条件下制动，制动时间为1.42s。

洗扫车停止后的制动加速度变为0，此时垃圾箱内污水由于惯性作用仍处于晃动的状态。

在车辆开始制动后的5s内，监控垃圾箱中心纵截面及抽吸中心纵截面的水和空气的自由液面以及从抽吸管倒灌出去的倒灌量。

分离求解器使用SIMPLEC，松弛因子默认缺省值。

首先分析现有最高水位距离抽吸管口150mm时的情况，因此将最高水位以下区域全部初始化为介质水，以上区域初始化为空气介质，如图3所示。

图3 初始水气界面Fig.3 Initial interface of water and air
2.3 仿真结果分析
-0.4g加速度下车辆制动后，在 t=0.50s、t=1.00s、t=1.50s和t=2.00s时监控截面内的水气分布云图如图4所示。

从图中可以看出，在车辆制动时，水由于惯性先向垃圾箱前端板涌动导致前端水位快速抬高，进一步地前端处水位率先淹没抽吸管，大量污水从抽吸管出口经吸嘴流出，观察发现，经抽吸管出口前端倒灌的水量要远远多于后端。

除此外从图中还可以看出会水位已经漫至垃圾箱风道，由于此处为压力出口边界（实际为网孔板）与大气连通，有部分水从风道经风机流出，这与实际风机存在的吐水情况相符合，验证了模拟的准确性。

图4 不同时间各截面水气云图Fig.4 Nephograms of center sections at different time
将污水警报开关位置下调110mm后，该洗扫车污水箱有效容积减少约0.6m3，
装满时间明显缩。

经仿真分析，污水倒灌同样主要发生在抽吸管出口前端，倒灌污水量大幅度降低。

图5为抽吸管出口污水倒灌量与时间的关系曲线，曲线与直线Q=0围成的面积即为污水倒灌总量。

从曲线图可以看出，污水警报开关降低
110mm后，倒灌出现的时间较原先延迟，且峰值流量减少了一半以上，倒灌停止时间点基本一致，污水倒灌量显著降低。

实际采用该种调整方式对改善污水反灌有明显的效果，但是损失了较多的污水箱有效容积，不是最佳方案。

图5 污水倒灌Q-t曲线Fig.5 Curves of Q-t on sewage backflow
2.4 结构优化及分析结果对比
根据上述分析结论，对垃圾箱结构进行针对性调整，如图6所示：将导流罩整体向后平移至导流罩前端贴近抽吸管，保证前侧胶皮贴紧抽吸管壁。

抽吸管前端抬高至接近导流罩顶部胶皮，后端最低点位置不变，避免管路气动损失增加。

同时，原水平防波板改为垂直抽吸管安装，即向后倾斜，解决原先垃圾易在防波板堆积的问题。

图6 优化结构示意图Fig.6 Schematic diagram of optimized structure
对优化方案进行相同工况的分析模拟，分析结果在 t=0.50s、1.00s、1.50s、2.00s时，污水水位变化云图如图7所示。

优化方案的抽吸管前端与导流罩前胶皮紧贴，由抽吸管前部反灌过来的污水量基本为0；仅在抽吸管后端发生污水超过抽吸管出口最低点，引发倒灌。

如图8，观察此时的Q-t关系曲线，初始水位高度相同时，优化方案依旧存在小部分倒灌，倒灌开始发生的时间基本相同，此时少量污水从后端进入抽吸管；原本从抽吸管前端倒灌的大量污水受到导流罩及防波板的阻隔不会继续倒灌；并且优化后倒灌持续时间缩短，倒灌流量明显减少。

将曲线数据导出，进行积分求得曲线与直线Q=0围成的面积，整改后面积较整改前减少了89.2%，即从抽吸管倒灌污水量减少85%以上。

图7 优化后抽吸管中心截面水气云图Fig.7 Nephograms of center section with optimized structure
图8 优化前后污水倒灌Q-t曲线Fig.8 Curves of Q-t on sewage backflow before and after optimization
3 实车试验
按照仿真分析得到的优化方案对实车进行整改，整改前后抽吸管、防波板及导流罩如图9所示。

导流罩后移贴近抽吸管，抽吸管前端抬高靠近抽吸管顶部胶皮，防
波板垂直于抽吸管布置，风道及垃圾箱不做调整。

图9 结构示意图Fig.9 Schematic diagrams
实车试验时首先将垃圾箱加水至发生水位警报，之后以20km/h匀速行驶，在2s
内将车刹停，比较从抽吸管倒灌经吸嘴流出的污水量。

试验结果如图10所示，整改前污水主要从抽吸管经吸嘴流出，吸嘴下方地面上出现大量污水，倒灌问题严重；整改后再次以相同条件进行试验，此时仅有少量污水从风道经风机流出，几乎没有污水从吸嘴下方流出，这与VOF仿真分析得到的结论一致。

图10 整车试验效果Fig.10 Effect of complete vehicle test
4 结论
针对行业内洗扫车普遍存在的垃圾箱污水满载后，在转运过程中出现的污水倒灌问题进行仿真分析，利用VOF气液两相流模拟刹车时的污水运动过程，分析倒灌发
生的原因与规律，并对垃圾箱内的抽吸管、导流罩及防波板进行了优化改进。

仿真结果表明优化后的污水倒灌程度大幅度降低，统计结果显示污水倒灌量可减少85%以上。

基于优化方案对实车进行整改，实车试验结果同样表明该整改方案可以明显改善污水从抽吸管处倒灌的发生，可以将该方案推广到其他洗扫车型。

【相关文献】
[1]QC/T957-2013，洗扫车[S].
[2]曾广银，李欣峰，肖田元，徐云.公路清扫车吸尘系统仿真设计[J].系统仿真学报，2004，12.
[3]陈忠基，吴晓元，徐广普，等.路面清扫车吸嘴装置的实验研究[J].同济大学学报，2001，12.
[4]李卓，邓刚林，余晨光，等.基于多相流数值模拟的环卫车集污罐结构优化[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017，2.
[5]孟祥廷，闫伟.基于CFD环卫车风扇仿真分析[J].内燃机与动力装置，2018，4.
[6]徐云，李欣峰，肖田元，等.计算流体力学在清扫车仿真分析中的应用研究[J].系统仿真学报，2004，2.
[7]王悦新，张国胜.洗扫车气力输送系统两相流仿真研究[J].交通节能与环保，2017，5.。