公路清扫车吸尘系统仿真设计

Simulation for the Design of Dust Suction System of Highway Sweeper
ZENG Guang-yin, LI Xin-feng, XIAO Tian-yuan, XU Yun
(Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
其中 ρ 为流体密度，U 是速度矢量。 2) 动量方程：
ρ ∂U + ρ (U ⋅ ∇ )U = −∇p ′ + ∇ ⋅ ( µ eff ∇U ) + ∇ ⋅ ( µ eff (∇U )T ) ∂t
(2)
其中校正压力
2 p ′ = p + µ − ξ ∇U 3
(3)
P 是静压力， ξ 是体积粘性系数。 有效粘度系数 µ eff 的定义式为：
系
统
仿
真
学
报
Dec. 2004
高吸尘效率，需要从结构入手，进行改进设计。通过调整导 管的位置、修改回吹风口的形状、吸盘边角圆弧化、增减挡 板，设计了一系列不同结构的吸盘，经过分析最终找到了最 佳的吸盘结构。图 10 即为改进结构后吸盘结构示意图，相
图6 B 剖面速度矢量图
对初始设计有如下不同： 1) 通往垃圾箱的风管居中； 2) 形状改变为圆滑的弧形，消除死区； 3) 添加导流挡板； 4) 加大前吸尘口的高度； 5) 回吹风口角度变为 450。
1.1 物理模型
场分布，从而决定了吸尘效率。图 1 为某实际清扫车吸盘最 初设计的结构示意图，吸盘距离地面 0.01m，在移动过程中 由于风机的负压作用， 将回吹气流吹起的地面上的垃圾吸入 集尘箱内，该吸盘的尺寸是 1.0m×0.5m×0.3m，通往集尘箱
Dec.
2004
曾广银, 等：公路清扫车吸尘系统仿真设计
Abstract：Simulation analyses and structure optimizations in the design of dust suction systems of highway sweepers have been completed by using computational dynamic fluid (CFD) technology. Un-structured meshes were used to generate grids and the k-ε model was used to simulate the turbulent flow based on the finite volume method. An optimally designed suction mouth was gotten after different kinds of suction mouths were analyzed by their efficiency. As for the optimal suction mouth, the speed of the airflow close to the ground was increased greatly, the distribution of the fluid field was changed to improve the efficiency, and the airflow wasn’t let out to generate second pollution, which achieved the design objectives. Simulation contributed greatly to the development of highly efficient highway sweepers. Keywords：highway sweeper; dust suction system; CFD; simulation
引
言1
目前国内使用的清扫车主要为国产，国产高速公路清
本文着重分析吸尘系统。目前，国产公路清扫车的吸 尘系统的设计大多仍然采用传统的做法， 即设计人员首先进 行吸盘与气路的结构设计，制造出物理样机进行测试[1]，需 要进行多次反复。吸尘系统的效率主要依赖于流场分布，而 流场取决于吸盘、气路的结构[2~3]。由于吸扫式吸尘系统的 工作环境的复杂性， 这种传统的设计方法往往难以达到期望 的效果， 这也是目前国产高速公路清扫车普遍存在清扫率低 的缺点的原因。 自 1990 年代中期以来，虚拟产品开发技术成为产品创 新设计的支撑手段[4]，作为近代流体力学、数值科学和计算 机科学相结合的产物——计算流体力学(CFD)是分析产品流 场的有效工具[5~8]。 本文基于 CFD 技术对某一实际公路清扫 车的吸尘系统进行仿真设计与优化， 同步进行吸尘系统的结 构设计和性能分析，减少了设计反复，缩短了设计周期，降 低了设计成本， 为开发我国高性能的高速公路清扫车做出了 重要贡献。
图7
B 剖面局部放大矢量图
该吸盘的网格模型、边界条件和求解方法都同初始吸 盘。同样截取三个剖面 A,B,C 如图 10 所示，分析它们的速 度矢量分布。图 11-图 13 为 A,B,C 三个剖面上速度矢量图， 图 14 为垂直方向剖面速度矢量图。
通往垃圾箱 倒流挡板 45 度回吹风口
图8
C 剖面速度矢量图 45 度回吹风口
∂ρ k µT + ∇ ⋅ ( ρ Uk ) − ∇ ⋅ µ + ∂t σk
∂ρε µT +∇⋅ ( ρ Uε ) −∇⋅ µ + ∂t σε
∇k = P − ρε
(6) (7)
ε ε2 ∇ε = C1 P − C2 ρ k k
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系 统 仿 真 学 报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
Vol. 16 No. 12 Dec. 2004
公路清扫车吸尘系统仿真设计
曾广银，李欣峰，肖田元，徐 云
(清华大学自动化系, 北京 100084)
摘 要: 运用计算流体力学技术对高速公路清扫车吸尘系统的流场进行了仿真分析与结构改进。 仿 真采用有限体积法 FVM,利用非结构化网格对吸盘模型进行网格划分，采用 k-å 湍流双方程模型模 拟湍流流动。经过分析不同设计方案对吸尘效率的影响，最后得到一个改进的设计方案，大大提高 了靠近地面的气流速度， 改进了流场分布， 提高了吸尘效率， 且不会出现气流外泄造成的二次污染， 达到了设计要求，为开发具有自主知识产权高效率的公路清扫车做出了重要贡献。 关键词: 公路清扫车；吸尘系统；计算流体力学；仿真 文章编号：1004-731X (2004) 12-2770-04 中图分类号:TP 202 文献标识码：A
前吸尘口 图9 C 剖面局部放大矢量图 图 10 改进结构后吸盘结构示意图
从图 4~图 9 可以得到如下结论： 1) 在 A 剖面中，气流速度低于其他几个剖面，这是 由于风机管道为非对称设计，A 剖面距离管道较远造成。A 剖面的较低气流速度将导致该部位的部分垃圾不能顺利的 被吹起进入风机管道，势必影响该位置的吸尘效率； 2) 在 B 剖面中靠近地面的位置，由于回吹风口的水 平气流的影响存在沿 Y 方向的较大的气流速度，气流行程 从回吹风口一直到吸盘-Y 壁面； 3) 在 B 剖面中，沿吸盘移动的 Y 方向上的吸盘壁附 近，存在着较大的气流速度，这说明回吹气流沿地面流动后 受到了 Y 壁面的阻挡，气流因此改变了方向； 4) 在 B 的剖面局部放大图上，由于受到 B 剖面上存 在的回吹气流的影响， 在该部位存在向外离开吸盘的速度矢 量，这说明，部分气体将携带垃圾离开吸盘，这将造成二次 污染。 5) 由于 C 剖面靠近导管，此处气流速度最高，强大 的吸力将地面垃圾带入导管。 由此可见，该吸盘的结构设计不十分合理，一方面会造 成部分区域的垃圾不能完全清除， 另一方面会造成在吸盘正 前方的部分垃圾被吹出吸盘，造成二次污染。
其中
P = µ eff ∇U ⋅ ∇ U + ( ∇ U )
(
T
∇ ⋅ U (µ )− 2 3
eff
∇U + ρ k ) (8)
2
图2 吸盘扩展区域示意图
初始吸盘流场的 CFD 分析
初始吸盘的物理模型和网格模型如上图 2 和图 3 所示，
为进行 CFD 分析，需要对吸盘进行网格划分。网格分 为结构化网格和非结构化网格。结构化网格数量少，计算量 少，适合规则物体网格划分。非结构化网格一方面可以不受 求解域拓扑结构以及边界形状的牵制， 同时还可以通过自适 应网格， 对速度梯度与压力梯度较大以及吸盘与地面接触部 位进行网格细化，这样有利于增加计算结果的精确性。图 3 为初始设计吸盘网格示意图，采用非结构化四面体网格。相 对于结构化网格，非结构化四面体网格数目多，计算量大， 该吸盘总网格数达到了 4,000,000 量级。
图3
初始吸盘网格示意图 图4 A 剖面速度矢量图
1.2 数学模型
清扫车工作时，气流从回吹风口进入，将吸盘区域的地 面垃圾吹起，由于吸盘内为负压，周围的气体也将被吸入吸 盘，气流和垃圾在吸盘内流动并最终从导管流出进入集尘 箱，它们遵循以下方程： 1) 连续性方程：
图5
A 剖面局部放大矢量图
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扫车价格便宜，但普遍存在清扫率低的缺点。进口清扫车可 靠性比国产车高，但价格高，且只能用于干净路面的保洁、 使用费用高、售后服务不方便，所以研制高性能的国产高速 公路清扫车具有巨大的市场前景。 高速公路清扫车按底盘、动力、扫刷、吸盘、风机、集 尘箱等不同，结构型式分为多种，其核心部分为气路系统。 气路系统主要由两部分组成，一是吸尘系统，主要由位于车 体下部的吸盘和相应的回吹装置组成；二是除尘系统，主要 工作部分为位于车体中上部的集尘箱。 清扫车主要有纯吸式和吸扫式，吸扫式清扫车的清扫 率高于纯吸式清扫车。目前，国外知名厂家的高速公路清扫 车皆采用吸扫式。本文讨论吸扫式吸尘系统，主要工作原理 为扫－吸结合，即先以盘式扫刷将路面垃圾扫至吸盘区域， 再利用风机吸气口端的负压将垃圾吸入集尘箱，同时，利用 风机后端的部分正压气体对路面垃圾进行回吹， 使其离开地 面一定高度并被吸入集尘箱， 通过这种吹吸结合的办法提高 清扫效率。