摘要：运用计算流体力学（CFD）软件对清扫车集尘箱吸尘系统进行数值模拟，仿真采用非结构网格对吸尘系统进行网格划分，运用标准k-ε方程作为湍流计算模型。通过分析集尘箱内气流速度与压力分布特性，得出影响气流不合理分布的因素，结合理论基础与经验设计对集尘箱结构进行改进，在保证高的吸送速度的同时尽量降低过滤速度，以降低能量损耗、提高清扫效率，对清扫车的设计与生产具有实际的指导意义。

1、引言
随着我国经济的快速发展和城市对环境卫生质量要求的不断提高，城市清扫作业机械化程度越来越高，清扫车拥有了越来越大的市场空间和发展前景。清扫车按其工作原理可分为扫刷式和真空吸扫式两类，而真空吸扫式清扫车因其具有工作速度快、环境污染小等优点，已成为当今路面清扫车的发展方向[1]。对于真空清扫车，气路系统是其核心部分，气路系统性能的好坏直接影响着清扫车的性能和清扫效率，因此，气路系统的设计至关重要。

计算流体力学（CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科。通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动和传热问题提供了有效的计算技术[2]。运用CFD软件对清扫车气路系统进行数值模拟，可以获得其内部流场分布特性，将对系统结构的设计与优化起到指导性的作用。

2、集尘箱工作原理及气路系统组成

2.1、工作原理
此前装卸式真空清扫车的集尘箱位于车体前部，其主要工作原理为扫-吸结合，即先利用盘刷和滚刷共同工作将路面垃圾扫至吸口区域，再利用风机吸气口端的负压将垃圾吸入料箱，垃圾进入料箱后一部分较重的垃圾沉到箱底，较轻的垃圾如灰尘等则与气流一起进入滤网，尘粒被截留或粘附在滤网中，洁净气体则被引风机吸走，最终排出大气。集尘箱的结构如图1所示。

 
图1集尘箱结构图

2.2、气路系统
如图1所示，清扫车的气路系统包括吸尘系统和除尘系统两部分。吸尘系统主要由吸口和沉降室组成，除尘系统主要包括过滤器和风机。清扫效率的高低主要决定于以上两大部分的设计。除尘系统的主要部件均为外购件，因此，在风机功率和过滤器性能一定的情况下，吸尘系统对清扫效率的高低起着决定性作用，吸尘系统的速度直接影响着吸尘效率。每种垃圾都有自己的起动速度，只有吸送速度超过起动速度值才能将其吸入集尘箱，质量越大，起动速度越大。

一般吸扫式清扫车的最大吸入粒度应不小于15mm3。因此，为达到一定的吸送效率，一般要求平均吸送速度：15m/s≤v≤40m/s；同时，吸尘系统的速度对除尘系统的性能也有着很大的影响。由达西定律可得通过过滤器时的压力损失[3]：

式中：Δp为通过介质的压力损失；v是垂直介质表面的速度分量；k为滤网的渗透率；μ为层流流体粘性；Δm为薄膜厚度；G为压力跳跃系数。

由式（1）可知，压力损失与过滤速度的平方成正比，而吸尘系统速度越高，过滤速度也越高，压力损失越大。因此，我们必须合理设计吸尘系统结构，保证足够的吸送速度，吸起不同质量垃圾的同时，尽量降低过滤速度，减小系统压力损失、降低损耗。

3、模型的建立

3.1、数学模型
流体的运动一般都遵循三个基本的守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒。为利于计算，本文对模型进行了以下简化。

（1）实际的清扫过程为多相流问题，所需清扫的垃圾具有多样性，不可能一一建模，且空气为垃圾的运输载体，两者的流动路线基本一致，故模拟时做单相流处理。

（2）对吸尘系统忽略传热。

（3）气流速度较小（Ma<0.3），可视为不可压缩流动。

则系统的气流运动遵循以下方程[4]：

连续性方程（质量守恒）：

式中：GK表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb表示由于浮力影响引起的湍动能产生；YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；μt为湍流粘性系数。

3.2、几何结构和网格
建立实体模型并划分网格。为减少网格划分数量和计算量，根据几何体的对称特性，取实体的1/2划分非结构四面体网格，如图2所示。

3.3、边界条件
本文采用速度入口、压力出口的边界条件进行计算。通过风机和过滤器的参数、滚刷的转速及实测数据计算，确定入口速度为10m/s，出口压力为-3000Pa。

4、计算结果及分析
采用有限体积法（FVM）离散控制方程[5]，并选择SIMPLE算法进行计算。

由图3可知，气流经吸口进入集尘箱后主要向箱体中部聚拢，流向集尘箱前侧，速度小幅增大后沿箱体前侧流出，而箱体前下方和后上方的气流明显较弱，甚至产生涡流现象。整个吸口区域最高速度约为14m/s，显然这个速度小于一些质量较大物体的起动速度，很难将其吸起，严重影响清扫效果。图4所示为出口速度云图，整个出口速度较小，但分布极不均匀，前侧速度明显远远大于后侧，这对过滤器的前侧的滤网冲击较大，将影响过滤器甚至风机的使用寿命，造成二次污染。由图5可知，整个系统压力损失约为100Pa。

5、结构优化
为提高吸送速度、减小对滤网前侧冲击，改善箱体内气流分布不均的状况，现在沉降室中部加入一块挡板，在挡板中部开一个300mm×400mm的方口，为避免倒卸垃圾时有垃圾沉积在挡板上面，在挡板前、后侧留有约50mm的缝隙，如图6所示。

由图7所示，加上挡板后，整个系统的速度明显增加，特别是吸口处，最大速度达到约60m/s，有足够的能力吸入质量较大的物体。同时沉降室上方的速度相对较小，加之挡板的阻挡作用，使得一些较大的物体迅速减速，将有利于垃圾的沉降，减少其对过滤器的损坏。另外，由图8可见出口气流分布明显有所改善，除壁面处气流速度较快以外，其他部分速度较均匀，与原始方案相比，出口速度略有增大，不会引起大幅过滤压力损失。图9给出系统的压力损失约为300Pa，虽然系统的压力损失增大，但是改进后却可以有效的减少风机的功率损耗，起到相互补充的作用。

6、结论
本文根据工程实践，运用CFD软件对清扫车吸尘系统进行数值仿真，根据以上分析得到以下结论。

（1）在清扫车设计过程中，可通过对气路系统进行仿真分析，改变系统结构，得到最优方案。

（2）运用CFD仿真分析的同时，应结合工程实际特点，将经验化设计、相关实验和仿真三者有效结合起来。

（3）在实践过程中，利用CFD仿真技术，可对清扫车虚拟样车进行气路系统性能和可行性分析，实现系统设计与分析的同步进行，这样可以缩短设计周期，减少试制次数，从而降低开发成本，对清扫车的设计与生产具有实际的指导意义。

参考文献：
[1]陈忠基，吴晓元.路面清扫车吸嘴装置的实验研究[J].同济大学学报，2001（12）：1483-1485.

[2]江帆，黄鹏.FLUENT高级应用与实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]沈强.袋式除尘器内气流场数值模拟[D].重庆：西南交通大学，2007.

[4]王瑞金，张凯.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]徐云，李欣峰.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）：270-273.

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