智能掃路車風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性及優(yōu)化設(shè)計

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摘要：針對某型智能掃路車專用風(fēng)機(jī)吸力不足的問題，以掃路車核心部件-專用風(fēng)機(jī)為研究對象，采用RNGk-ε模型對其內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值仿真分析，分析專用風(fēng)機(jī)在額定工況下的內(nèi)流特性，辨識風(fēng)機(jī)優(yōu)化提升關(guān)鍵點。結(jié)果表明：優(yōu)化風(fēng)機(jī)相對原始風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部流場均勻，葉輪流道內(nèi)旋渦明顯減小，風(fēng)機(jī)流量提升了19.79%，全壓升提升了20.4%，滿足該型智能掃路車的吸力需求，對同類型掃路車的清掃性能提升提供了必要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智能掃路車；專用離心風(fēng)機(jī)；渦流；葉輪

引言

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，環(huán)衛(wèi)車逐漸向智能化方向發(fā)展。智能掃路車作為新一代路面作業(yè)清潔工具之一，各地環(huán)衛(wèi)部門對其需求量逐漸增加，應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]。掃路車專用風(fēng)機(jī)是智能掃路車氣力系統(tǒng)的核心零部件、動力源，專用風(fēng)機(jī)的氣動特性直接影響著掃路車的整體性能[2-3]。因此，掃路車專用風(fēng)機(jī)的氣動特性研究，不僅是智能環(huán)衛(wèi)車技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵研究領(lǐng)域，也是智能掃路車對專用風(fēng)機(jī)高效節(jié)能設(shè)計，專用風(fēng)機(jī)與掃路車氣力系統(tǒng)的精準(zhǔn)匹配設(shè)計的急迫需求。

1掃路車專用風(fēng)機(jī)介紹

現(xiàn)有某型智能掃路車清掃效果欠佳、吸力不足，該型掃路車專用風(fēng)機(jī)為前向型離心風(fēng)機(jī)，葉片共16片，如圖1所示。風(fēng)機(jī)優(yōu)化前葉輪流道長、葉片彎曲曲率大，流道流動復(fù)雜，針對以上問題，對原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計分析，短葉片與長葉片組合的結(jié)構(gòu)，不僅減弱甚至消除不利流動，還減小了流動損失和噪聲，大大的提高了掃路車的氣動性能[4-5]。因此，本文優(yōu)化后的離心風(fēng)機(jī)采用16片長葉片+16片短葉片組合葉片型式，如圖2所示。

2專用風(fēng)機(jī)內(nèi)流場仿真分析

2.1計算模型建立

對專用風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值建模，該風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)口延伸段，出口延伸段，葉輪和蝸殼，如圖1所示，優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩者的區(qū)別主要在于葉片結(jié)構(gòu)型式。

2.2網(wǎng)格劃分

風(fēng)機(jī)葉輪流道內(nèi)部為強(qiáng)旋流，為更好地捕捉流場特征，采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分，即將整個計算域分為進(jìn)口延長段區(qū)域、葉輪區(qū)域、間隙區(qū)域、蝸殼區(qū)域及出口延長段區(qū)域。由于風(fēng)機(jī)葉片厚度一般只有幾毫米，葉輪流道內(nèi)的流動異常復(fù)雜，因此對葉片表面和蝸舌壁面區(qū)域采用邊界層網(wǎng)格處理并進(jìn)行加密控制，如圖3所示，為避免網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值計算結(jié)果的影響，進(jìn)行數(shù)值分析時對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗證，在驗證可行的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值分析。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后風(fēng)機(jī)計算模型的網(wǎng)格總數(shù)量為4487908。

2.3控制方程

專用風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動屬于三維粘性不可壓縮流動，遵循物理守恒定律，其中控制方程包含質(zhì)量守恒方程、動量守恒控制方程、湍流輸運(yùn)方程[6]。質(zhì)量守恒方程：考慮到風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動為強(qiáng)曲率、強(qiáng)旋流動，RNGk-ε湍流模型在對湍流粘性進(jìn)行修正考慮了旋轉(zhuǎn)及曲率效應(yīng)流動的特性[7]，能更好的處理旋轉(zhuǎn)流體問題，因此，本文采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算。

2.4邊界條件與初始條件設(shè)定

數(shù)值計算時采用“多重坐標(biāo)系”（MRF）模型處理動靜部分區(qū)域，設(shè)定葉輪區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，選擇旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)定其他區(qū)域為靜止區(qū)域，選擇靜止坐標(biāo)系。設(shè)定所有的葉片表面、前盤、后盤為旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件，蝸殼內(nèi)壁面為靜止壁面邊界條件，旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面均滿足無滑移邊界條件。風(fēng)機(jī)進(jìn)口給定壓力進(jìn)口邊界條件，為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；出口給定壓力出口邊界條件，為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。給定風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2600rpm，進(jìn)、出口湍流邊界給定水力直徑和湍流強(qiáng)度I，湍流強(qiáng)度計算公式為[8]：其中：ReH為根據(jù)水力直徑計算得到的雷諾數(shù)。

2.5離散格式及算法

離散方法選擇有限體積法，壓力—速度耦合關(guān)系選擇SIMPLE算法[9]；湍動能、耗散率、動量方程的離散選擇的是二階迎風(fēng)格式[10]，收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為各項殘差小于1×10-4。

3結(jié)果及其分析

通過數(shù)值計算，獲取了智能掃路車專用風(fēng)機(jī)原始模型和優(yōu)化模型在額定工況下的壓力場、速度場等信息。如圖4所示為葉輪內(nèi)部壓力分布及流線圖。由于氣流在進(jìn)口受到預(yù)旋轉(zhuǎn)的影響，使得進(jìn)口氣流存在一定的攻角，導(dǎo)致葉片進(jìn)口附近的吸力面產(chǎn)生了分離流動，分離流動加劇了葉輪流道流場的惡化，從而致使原始風(fēng)機(jī)在葉輪進(jìn)口區(qū)域速度分布不均勻，在葉輪流道區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)旋渦、回流等現(xiàn)象。由于優(yōu)化后的葉輪增加了短葉片—分離葉片，明顯減弱了氣流在吸力面產(chǎn)生的分離流動，因此優(yōu)化后的葉輪流線分布均勻，產(chǎn)生了較小、較少的旋渦和回流。如圖5所示為風(fēng)機(jī)中截面的速度云圖，圖中可以看出，原始風(fēng)機(jī)出口段靠近渦舌處存在明顯的低速回流區(qū)，使得風(fēng)機(jī)出口流動不暢，造成能耗增加。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)出口流場分布均勻，在渦舌區(qū)也沒有產(chǎn)生回流，無明顯低速區(qū)，流動更順暢。如圖6所示為風(fēng)機(jī)中截面總壓分布云圖，總壓在葉輪進(jìn)口處較小，在靠近蝸舌側(cè)存在明顯低壓區(qū)，通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，使得葉輪流道總壓增大，在葉片末端壓力面附近區(qū)域達(dá)到最大值。優(yōu)化風(fēng)機(jī)在葉輪流道和蝸殼內(nèi)總壓分布更均勻，出風(fēng)口處壓力分布也更均勻，使得氣流在出口處流通順暢，減小流動損失。如圖7所示為風(fēng)機(jī)中截面靜壓分布云圖，靜壓由于旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，從葉輪入口到蝸殼逐漸增大，且呈非對稱分布，由于蝸殼擴(kuò)壓的作用，在遠(yuǎn)離蝸舌側(cè)蝸殼靜壓達(dá)到最大，優(yōu)化風(fēng)機(jī)在出口處分布均勻，使氣流能順暢流出，減小流動損失。

4試驗對比分析

通過優(yōu)化設(shè)計，對原始風(fēng)機(jī)和優(yōu)化風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗驗證分析，從表1中可看出，優(yōu)化風(fēng)機(jī)相對原始風(fēng)機(jī)，流量提升了19.79%，全壓升提升了20.4%，效率提升了9.72%；表明了通過數(shù)值分析進(jìn)行風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計的可行性和合理性，極大縮短了風(fēng)機(jī)的研發(fā)周期。

5結(jié)論

本文針對某型智能掃路車清掃效果欠佳、吸力不足等問題，采用RNGk-ε模型和多重坐標(biāo)系MRF法，對其核心部件——專用風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，獲取了風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性及影響風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并試驗驗證分析，試驗結(jié)果驗證了優(yōu)化風(fēng)機(jī)的可行性和合理性，主要有以下結(jié)論。（1）優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部流線分布均勻，流道無明顯強(qiáng)螺旋流動，改善了風(fēng)機(jī)葉輪流道流動特性。（2）優(yōu)化風(fēng)機(jī)蝸殼出口處流場分布均勻且沒有產(chǎn)生回流，無明顯低速區(qū)；氣流流動更順暢，減小流動損失。（3）通過實驗分析可知，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)流量和全壓升得到了大的改善，風(fēng)機(jī)流量提升19.79%，全壓升提升了20.4%。

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作者：張斌 李亮 萬軍 張惠兵 單位：長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司