真空收集装置的空气动力学特征仿真与实验研究.pdf

1 1 6 机 械设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa nu f a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 真空收集装置的空气动力学特征仿真与实验研究 陈思林 ， 秋实， 杨丹 ， 陈忠 凯 西北核技术研究所， 陕西 西安7 1 0 0 5 6 摘要 针对纯吸式真空收集装置收集作业时， 其作业断面不平坦而导致其收集深度无法控制的问题， 提 出在收集装 置内加入导流板以改变作业断面平坦度的研究思路。 利用流体力学计算软件 F l u e n t 中的k - e湍流模型， 对收集装置的 空气动力学特征进行了数值仿真， 分析了导流板位置尺寸和安装角度对收集装置内部流场的影响， 优化了导流板安装 尺寸。建立了真空收集装置实验平台， 实验结果表明， 研制的真空收集装置在进行地面散料收集时， 作业断面平整， 收 集深度可控。 关键词 真空收集装置； 导流板； 湍流模型； 数值模拟 中图分类号 T H1 6 ； U 4 9 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 0 0 1 1 6 0 3 E x p e r i me n t a l o f Re a l i z a b l e E q u i d i s t a n c e Co l l e c t o f Su c k i n g Mo u t h C H E N S i - l i n ， Q I U S h i ， Y A N G D a n ， C H E N Z h o n g - k a i N o r t h w e s t e r n I n s t i t u t e N u c l e a r T e c h n o l o g y ， S h a a n x i X i ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a A b s t r a c t Ai m i n g a t t h at t h e a s s i g n m e n t s s e c t i o n i s n o t flat a n d c a u s e d t h e p r o b l e m o fc o l l e c t i o n d e p t h t h at C 0 1 t ’ t c o n t r o l ， i t p u t s f o r w a r d t h e r e s e a r c h a p p r o a c h ofc h a n g i n g t h e a s s i gnm e n t s s e c t ion flat n e s s b y j o i n i n g a c o l l e c t i o n ofg u i d e p l at e i n t h e c o l l e c t i n g d e v i c e ．U s e s t h e k 一 8 t u r b u l e n c e m o d e l i n t h e C F D s o ft o f F l u e n t ．and n u mer i c a l l y s i mu l a t s t h e a e r o d y n a m i c c h ara c t e r is t ic s oft he c o l le c t i n g d e v ic e ． An a l y z i n g t he d iff e r e n t g r a d i e n t ang l e ofo ri e n t e d b o ard e ff e c t t o t h e c o l l e c t i n g dev i c e fl o w fi e l d ， and o p t i miz e s t he i n s t a l l a t i o n d i mensi o ns oft h e c o l l e c t i n gdev ic e ． V acu u m c o l le c t i n gd e v i c e e x p e r i me n t alp l a tf o r m is e s t a b l is h e d ．T h e e x p e ri me nt r e s u l t s h o w s ，u e s t h e dev e l o p e d v acu u m c o l l e c t i n g d e v ice t o c o l l e c t i n g t h e b u l k mate r i al o n t h e gro u n d ， a n d t he ass i gnm e n t s isfl at a n d t h e c o l l e c t i o n d e p t h c a n c o n t r o 1 ． Ke yWo r d s Va c u u m Co l l e c tin gDe v i c e ； Gu i d eP l a t e ； Tu r b u l e n c eM o d e l ； Nu me r i c a l S i mu l a t i o n 1引言 真空收集是一种依靠负压来进行物料收集的作业方式。真 空收集的优点在于整个工作流程处于密闭系统中， 一般不会产生 二次扬尘污染。 同时， 真空收集还具有很大的灵活性， 如对于零散 区域、 沟壑内松散砂土的收集。 目前， 国内真空收集机械主要用于城市道路， 其收集对象是 散落在硬质平坦地表的垃圾 如石块、 枯枝、 纸壳、 落叶等 ， 配套 的收集装置主要是要具备较宽的作业半径， 使其具备较低的能耗 和较高的作业效率 单位时间收集的面积 。 国外针对收集装置专 门进行的学术研究较少， 收集装置研发的任务主要由生产厂家来 完成， 其研究方向主要是面向集成控制、 操作 自动化、 安全性和舒 适性等课题。在吸尘效率方面， 国外清扫车研究主要集中在管网 的优化设计和集尘箱的优化设计q 。通过对这种收集装置进行松 散砂土的收集实验 ， 发现其收集后的断面为圆弧形状， 无法控制 其收集深度。 在野外松散砂土收集工程中，收集深度的大小直接影响到 施工作业量的大小， 所以实现等厚度的表层砂土收集是野外松散 砂土收集施工的一项重要指标， 这要求使用的真空收集机械作业 时， 收集后的断面要平整， 即在收集完成后， 形成一个具有一定宽 度和深度的矩形作业面。真空收集机械中系统的风量、 负压决定 着真空收集的能力和效率， 收集装置结构则决定着收集作业后断 面 的形状 。 利用流体力学计算软件 F l u e n t 中的k - e湍流模型，建立了 收集装置分析模型，对收集装置内部和外部流场进行了数值模 拟， 根据对收集装置的模拟分析结果， 提出了在内部加装导流板 的思路， 优化了收集装置外部流场分布， 使收集装置外部流场水 平面速度变化幅度减小，并提高了收集装置两侧气流的速度， 实 现了收集装置的等厚度收集。 2模型的建立 2 _ 1流体力学分析控制方程 流体运动的规律都是以以下三个定律为基础的质量守恒 定律、 动量守恒定律和能量守恒定律， 这些守恒定律可由数据方 程组来描述， 如 欧拉 E u l e r 方程、 N ～ S 方程等。流体力学分析的 基本原理是通过数值计算求解控制流体流动的微分方程， 得出流 来稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 1 作者简介 陈思林， 1 9 7 9 一 ， 男， 甘肃会宁人 ， 硕士研究生， 主要研究方向 机械设计及计算流体力学 秋实， 1 9 6 5 一 ， 男， 陕西乾县人， 博士研究生， 研究员， 主要研究方向 机械工程设计 第 1 0 期 陈思林等 真空收集装置的空气动力学特征仿真与实验研究 1 1 7 场在连续区域上的离散分布， 从而近似模拟流体流动情况。下面 两个微分方程是目前较为常用湍流模型控制方程闭 p 0 k 0 l 等l G k G b- p p誓 鲁[ 等】 c l专G 一 } 2 式中 G f 一由于平均速度梯度引起的湍动能产生 ； G _用于浮力 影响引起的湍动能产生； y 一可压缩湍流脉动膨胀对总的 耗散率的影响； 。 堕 _ 一湍流粘性系数。在 F l u e n t 中， 作 为默认值常数， c 。 1 ． 4 4 ， C n 1 ．9 2 ， c ； 0 ． 9 9 ， 湍动能 k与耗散 率 8的湍流普朗特数分别为 1 ． 0和 1 ． 3 翻 。 2 _ 2模型的建立 收集装置分析模型， 如图 1 所示。模型上部为收集装置， 结 构尺寸 长 宽 高 为 2 0 0 x 5 0 x 5 0 mm， 输送直管管径为 5 0 mm。 下部为模拟收集地面， 设定其尺寸为 4 0 0 x 2 0 O x l 0 0 m m。 触 图 1收集装置物理模型和仿真模型 Fi g ． 1 C o l l e c t i n g De v i c e Ph y s i c a l Mo d e l a n d S i mu l a t i o n Mo d e l 3流场数值仿真与结构优化 计算流体动力学 C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s ， 简称 C F D 是 近代流体力学、 数值数学和计算机科学相结合的产物， 它通过计算 机数值计算和图像显示， 对包含有流体流动和热传导等相关物理现 象进行分析棚 。 设计的收集装置为矩形收集口连接圆管输送直管， 在 其内部加装了两个具有一定倾角的导流板， 通过改变收集装置外部 流场速度分布隋况来改进收集装置的作业效果。为便于分析， 选择 模型中心截面作为分析面， 在不同距离上选取了三条参考线， 其中 L i n e l - L i n e 3用来观察水平方向上的速度变化，三条水平线之间间 距为 l O mm 。L i n e 4为垂直中心线，用来观察垂直方向上的速度变 化。 四条直线位置， 如图2 所示。 导流板安装尺寸对流场的影响因素 主要有安装1 顷角、 上下两端在垂直方向上的投影尺寸以及下端与地 面之间的距离。 将导流板 匕 下两端在垂直方向上的投影尺寸分别设 为 和 ， 导流板下端与地面之间的距离设为D 。 图 2模型 中心界 面 Fi g ． 2 T h e Mo d e l Ce n t e r S e c t i o n 根据收集装置设计尺寸， 建立分析模型， 并通过 G a m b i t 进 行网格化， 设定模拟收集地表底面为气流入E l ， 输送直管管 口为 气流出口。 将网格文件导入 F l u e n t 进行流体力学分析。 流体力学 分析参数设定如下 人口压力 1 0 1 0 0 ， 出口压力 l O O P a ， 环境压力 1 0 1 k P a ， 控制方程为 k - e 湍流模型双方程。导流板安装尺寸优化 分为两部分 导流板位置尺寸和导流板安装倾角。导流板安装尺 寸是否优化的评价标准 1 导流板附近速度变化小，无涡流； 2 同一水平线上气流速度平均值高、 变化幅度小。 3 ． 1导流板位置尺寸优化 导流板位置尺寸优化包括上下两端在垂直方向上的投影 尺寸 和 优化和导流板下端与地面距离 D的优化。设收集装 置作业宽度为 ， 为研究方便， 将投影尺寸 厶和 与￡的比值分 别设为 k和 s ， 分别取值 0 ．2 5 、 0 ． 5和 0 ． 7 5进行对比研究 ； 导流板 下端与地面距离 D取值 0 、 5 mm和 1 0 ram进行研究， 确定导流板 位置尺寸的最优值。 如图 3 所示， D、 k 和 s 取不同值时Hn e l 的变 化情况可以看出 当 D 5 m m， L i n e l的平均速度为 1 4 ． 8 2 m ／ s ， 均大 于D-- 0和 1 0 m m时的 1 4 ． 5 9 m ／ s 和 1 4 ． 7 1 m ／ s ，其速度变化幅度为 0 ． 3 8 ， 均 小于 D -- O和 1 0 ram时 的 0 ． 4 1 和 0 ． 3 9 ； 当 k 0 ．5时 ， L i n e l 的速度变化幅度为 0 ． 3 6 ，均小于 k 0 ． 2 5和 0 ． 7 5时的 0 ． 5 5 、 0 ． 5 8 ， 同时，当k不同时，其速度平均值分别为 1 4 ． 8 8 m ／ s 、 1 4 ． 8 2 r r d s 和 1 4 ． 7 9 m ／ s ， k值对 L i n e l 速度平均值的影响不大； 当s 0 ．5时， L i n e 1 的速度变化幅度为 0 ．3 6 ， 均小于s 0 ． 2 5和 0 ． 7 5时的0 ．5 8 、 0 ． 5 2 ， 同 时，当 k不 同时，其速度平均值分别为 1 1 ． 2 1 m ／ s 、 1 0 ． 7 2 m ／ s 和 1 0 ． 2 8 m ／ s ， S 值对 L i n e l 速度平均值的影响不大。 一 尽 △ A 一 {I ’ { 餐 { 餐 三 A 。＼ } l Z ‘、 t 、 _一 一 _ ＼ f l ． 。 、 { f 一 、． ． ／ D O ． _ D 5 r am ． D 1 0 mm S o ． 2 5 -- S 0 ． 5 - S o ． 7 5 一S 0 ．2 5 - “ -S 0 ．5 一S o ．7 5 0 ． 1 _ 0 ．O 5 0 0 ． 0 5 0 ． 1 距离 m c 图3 D 、 k 、 s 取值不同时L i n e i 变化曲线 F i g ． 3 Ch a n g e Cu r v e 6 f t he L i n e 1 Un de r Di f f e r e n t Valu e s o f D 、 k、 s O O m 0 使 兮 坩 I Q 兮 n b m 0 距 5 D t 1 1 8 机械 设 计 与制 造 No ． 1 0 Oc t ． 2 01 4 综上所述，导流板下端与地面的距离 D的最优值为 5 m m， 导流板上端和下端与收集装置作业宽度的最优比值均为 0 ． 5 。 3 ． 2导流板安装倾斜角优化 不同的导流板倾角对收集装置内部和外部流场的改变是不 同的。 利用 F l u e n t 分析软件对导流板倾角为 2 0 。 、 3 0 。 、 4 5 。 和 5 O 。 的 收集装置内部和外部流场进行了分析， 以期得出导流板倾角最佳 值。如图4所示 ， L i n e l L i n e 3 速度变化隋况进行分析可以得出， 导流板倾斜角为4 5 。 时， 水平线上的速度平均值分别为 1 1 ． 9 6 m ／ s 、 8 ．3 5 m ／ s 和6 ．2 1 rrd s ， 均 大 于 其 他 三 种 倾 斜 角 度 的 速 度 值， 且 速 度 5结论 图5土槽实验系统及收集完成后地面形貌 F i g ．5 S o i l Bi n Ex p e r i me n t a l P l a tf o r m a n d S u r f a c e Mo rp h o l o gy Af t e r Co l l e c t e d 变化幅度最小。 1 利用F 1 u e n t 软件中的两相流模型， 进行了数直 阱算 ， 得 、 ， 『 - -0 ． 0 5 0 0 ．O 5 d i s ta n e e m a L i n e l O ． 1 蚓 J睡 L J ． 1 ’ 确 『 一 落 l 『 飞 o． 3 O - o ． 1 0 ． 1 -～ 、 、 ．礓 y 、 一 0 ．1 _ o ． 0 5 0 O ．0 5 0 ． 1 - * -2 00 t- 3 0 。 - ,t - 4 5 。 - 5 O 。 - - t -2 0。 - 3 0 。 - ．． 45。 “ * - 5 0 。 - , -2 0。 _3 0 。 - ． , b -4 5。 ． , 4-5 0。 P o s i t i o n m c L i n e 3 图 4三条垂直观察线速度变化 晴况 F i g ．4 Ve l o c i t y C h an g e a t t h e T h r e e Ob s e r v a t i o n Li n e 4实验研究 为验证理论分析结果的正确性， 建立了一个用于真空收集 装置模拟收集作业过程研究的实验平台。实验平台由电机、 罗 茨泵、 变频控制器、 料斗、 控制系统、 粉尘过滤装置、 消声器和收 集装置等部件组成。实验所用物料为最大粒径为 3 0 m m的砂土 混合物。从图5 可以看出， 收集装置收集作业完成后， 作业地面 平坦， 实现等厚度收集。收集完成后形成的收集面底部平坦， 收 集装置两侧物料被完全收集起来，证明所研制的收集装置达到 了技术要求。 到收集装置内部和外部的流场云图和速度变化曲线， 说明在收集装 置内加 具有一定倾角的导流板可以改进其内部和外部流场速度 分布， 并能够提高收集装置两侧的速度。 2 经过理论分析和实验研 究表明， 在收集装置内加装4 5 。 f 顷 角的导流板时， 收集装置外爵 0 平 参考文献 [ 1 ] 张健， 周力行． 气固两相流中颗粒轨道运动方程的一组分析解[ J ] ．燃烧 科学与技术， 2 0 0 0 ， 6 3 2 2 6 - 2 2 9 ． Z h a n g J i an， Z h o u L i - x i n A n a l y t i e a l s o l u t i o n s o f t h e e q u a t i o n o f p a r t i c l e m o t i o n a l o n g t r a j ect o r i e s i n g a s s o l i d fl o w s【 J ] J o u r n al o f C o m b u s t i o n S c i e n c eand T e c h n o l o g y ， 2 0 0 0 ， 6 3 2 2 6 2 2 9 ． l 2 l C ．He r b r e t e an ， I L B o u a r d ．E x p e r i me n t al s t u d y o f p a r a me t e r s wh i c h i n fl u e n c e t h e e n e r gy m i n i mu m i n h o ri z o n t al g a s - s o l i d c o n v e y i n g l J j ． U S ， P o w d e r T e c h n o l o gy， 2 0 0 0 1 1 2 2 1 3 - 2 2 0 l 3 J T J ． C r a f t ， S ． E ．Gant ， D e v e l o p me n t and a p p l i c a t i o n o f w al l - f u n c t i o n t r e a t m- e n t s f o r t u r b u l e n t f o r c e d and m i x e d c o n v e c t i o n f l o w s [ J ] ．nu i d D y n a m i c s R e s e a r c h ， 2 o 0 6 3 8 1 2 7 1 4 4 [ 4 ] 袁丹红． 扫路车吸嘴结构的改进[ J ] ．专用装置， 2 0 0 5 2 3 6-3 7 Yu a n Dan h o n g ．I n t e r n a l s t r u c t u r a l o p t i mi z a t i o n o f s u c t i o n n o z z l e i n r o a d s w e e p e r [ J ] ． S p e c i alP u r p o s e Ve h i c l e ， 2 0 0 5 2 3 6 - 3 7 ． l 5 J Va u I n ． H．R， O b e r k a m p f ． W． L ， W0 l f e ．W． P ． F l u i d mo t i o n i n s i d e a s p i n n i n g ， n u t a t i n g ， fl u i d - f i l l e d c y l i n d e r [ J ] ． u i d M ech ， 1 9 8 5 1 5 0 1 2 1 1 3 8 ． 1 6 l C ． H e r b r e t e a u ， I L B o u a r d x p e r i m e n t a l s t u d y o f p a r a me t e r s w h i c h i nflu e n c e t h e e n e r gy m i n i m u m i n h o ri z o n t al g a s s o l i d c o n v e y i n g l J J ． U S ， P o w d e r T e c h n o l o gy， 2 0 0 0 1 1 2 2 1 3 - 2 2 0 ． 1 7 l D e e n N ． ． A n e x p e ri m e n t al a n d c o mp u t a t i o n al s t u d y o f fl u i d d y n am i c s i n g a s l i q u i d c h e mi c alr e a c t o r s l D 1 ．A alb o U n i v e r s i t y ， D e n ma r k ， 2 o o 1 ． 1 8 l W．D．G r i ff i t h s ． E B o y s a n - C o mp u t a t i o n a l fl u i dd y n am i c s C F D and e mP i r i e a l mo d e l i n g o f t h e P e r f o rm anc e o f a n u m b e r o f e y e l i n e r s am p l e r s [ J ] Ae ros o l S c i e n c e ， 1 9 9 6 。 2 7 2 2 8 1 - 3 0 4 ． [ 9 ] 刘子红， 肖波， 杨家宽．旋风分离器两相流研究综述[ J ] ． 中国粉体技术， 2 0 0 3 。 9 3 4 1 ． L i u Z i - h o n g ， X i a oB o ， Y a n g J i a - k u an． R e v i e wo n s t u d y o f i n n e r g a s - s o l i d t wo- p h ase fl o w fie l d an d n u me ric al c a l c u l a t i o n mo d e l o f c y c l o n e s e p a r a t o r [ J ] ．C h i n a P o w d e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 3 ， 9 3 4 1 ． [ 1 0 ] 胡元， 吴小林， 时铭显．旋风分离器内颗粒轨迹的计算方法[ J ] ． 石油大 学学报 自然科学学版 ， 1 9 9 8 ， 2 2 4 6 4 _ 6 7 ． Hu Y u a n ， WuX i a o - 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