路面真空清扫车吸盘除尘性能的数值研究
摘要：本文的目的是为了研究路面真空清扫车吸盘的除尘性能。基于计算流体动力学（CFD）软件中的粒子吸入过程构建了一个集成的三维数值模型。通过吸盘口的气流被视为一个连续体，而粒子被建模为分散相。选择雷诺应力模型（RSM）和离散颗粒模型（DPM）来精确预测空气和颗粒流动。数值模拟结果表明，清扫车行驶速度和吸盘头两端的压降对颗粒去除性能有很大影响：随着扫路机运行速度的降低或压降的增加，颗粒的去除效率也随之提高，小颗粒在同样的工况下比大颗粒具有更高的去除效率。此外，质量流量随着清扫车行驶速度的提高而增加。因此，在高去除效率，低能量消耗和高质量流量中应考虑权衡。通过数值模拟，评估了道路清扫车清除路面颗粒的有效性，并得到了最佳的运行条件。此外，研究了更多信息以便更好地理解吸盘口的颗粒吸入过程。
1.引言：
目前，人们普遍担心颗粒物质的污染。粉尘和泥沙是颗粒物质污染的主要来源，因此其处理受到了相当大的关注[1]。通常采用清扫街道来清除道路表面积聚的灰尘和淤泥，以改善路面整洁、公共健康和雨水质量，因此它被认为是许多地方目前最有效的污染物控制措施[2,3]。吸盘是路面清扫车的关键组件，该吸盘旨在从路面拾取颗粒并将其平稳的送到集尘箱内。吸盘的除尘性能是路面清扫车最重要的指标。
目前已经进行了许多关于估计街道清扫的颗粒清除性能的研究。比如。Chang等人的一项研究[4]通过实验评估了路面清扫和清洗悬浮颗粒的有效性，表明清扫和清洗过程对于清除城市道路上的粉尘和淤泥是有效的。然而，一些研究人员如Vaze和Chiew[5]认为道路清扫对环境质量的贡献并不十分显著，并且可能会产生不利影响，因为路面清扫工作并没有有效地去除小颗粒。Kang和Stenstorm[6]通过使用统计功效分析研究了作为雨水管理实践的街道清扫效能。 他们指出，不能低估街道清扫的效果，因为之前的一些研究是基于不充分的数据。 因此，需要新的方法来评估街道清扫的有效性。
由于道路清扫车的颗粒去除性能取决于清扫技术、操作条件、清扫频率、街道污垢负荷程度和颗粒大小分布[7]，所以有必要开发一种可重复使用且可靠的方法来计算路面清扫车吸盘口的颗粒去除性能。为了评估吸盘口的颗粒去除性能，工程师通常关注两个参数，即清扫车行进速度和吸盘口上的压降。他们对颗粒去除效率和质量流量的影响直接关系到道路真空清扫车的性能。Chen等人[8]通过实验研究了清扫机结构和行进速度对颗粒去除性能的影响。他们发现吸盘口的翼板和扫路机的行驶速度对颗粒的临界启动速度有很大的影响。 同时，他们还分析了粒子拾取速度与传播速率的关系。
随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学（CFD）已经成功地被应用于研究各种工业气动输送过程[9,10]。虽然在过去的几十年中通过实验研究了颗粒去除性能，但很少考虑使用CFD去研究颗粒去除性能。Xu[11]等人对公路机械扫路机的吸盘口和气路系统进行了三维数值模拟。他们分析了拾取系统和过滤系统之间的相互作用，并基于数值结果优化了组合系统。Zeng等人[12]采用CFD技术来模拟吸盘口的区域。 研究表明，通过改变吸盘口结构，改善了清扫性能，数值模拟结果证明，CFD是计算吸盘口流场特性的有效工具。 然而，这些工作没有考虑到颗粒对流场的影响，所以不能获得颗粒去除效率和质量流量。更重要的是，在模拟吸盘口性能的过程中，不能忽视作为最重要参数的清扫车行驶速度和压降的影响。
旋风分离器是利用离心力分离的装置，清扫车是利用真空压力从路面吸取颗粒的装置。因此，采用CFD方法也可以计算出吸盘的除尘性能，这一方法已经在气体旋流器颗粒收集性能的成功应用中得到了验证[13,14]。
本研究的目的是使用商业软件CFD中Fluent 6.3程序来研究在各种清扫机行进速度和压降下吸盘口的颗粒去除性能。数字CFD模型通过现场清扫实验进行验证。基于数值结果，考虑了颗粒去除效率，吸头上的压降和质量流量之间的平衡，并获得了最佳的操作条件。
2.清扫现场实验
这项工作中使用了发动机功率为57kw的道路清扫车。它使用了精心设计的吸尘器真空系统。图.1表明道路真空清扫车使用吸盘头从实验路面拾取沙粒。
图1.在现场实验中从路面拾取沙粒
当街道吸尘器向前移动时，安装在清扫机上的离心风扇在集尘箱中形成真空。 粒子静止在路面上，开始滑动并在达到一定的送风速度时飞起，然后通过四个狭槽（前，后，左，右）被真空吸入吸盘口。 进入吸盘后，大部分颗粒被气流拾起，然后通过真空软管从出口送入集尘箱，但有些颗粒会从后部窄槽跑到吸盘的外部。 在扫地实验中使用的拾音头示意图如图所示图2。
图2.吸盘口的示意图
其主要尺寸在下面给出表格1.中。
表格1
吸盘口的主要尺寸
在现场实验中，安全因素非常重要，因为如果实验阻碍了交通，这将是危险的。 因此，选择了没有车辆的道路，如图.1所示。 在路面上，选择2.0米times;1.8米的采样表面并涂漆成白色。用密度为2500kg / m 3的测试砂子均匀地散布在取样表面上，并且质量载荷被设定为0.1kg / m2。 沙粒尺寸分布Yd可以用Rosin-Rammler分布来定义。
其中dp是颗粒直径，d是颗粒平均直径，
n是扩展参数。
根据沙粒数据计算，颗粒平均直径和扩散参数分别为81mu;m和5.95。沙粒的累积尺寸分布绘制在图.3。
图3.沙粒的累积尺寸分布
以6,7,8,9,10,11,12,13和14km / h的清扫车行驶速度进行清扫现场实验，并且通过测量收集采样表面清扫前和清扫后的沙粒质量来获得颗粒清除效率。气流速度和压降测量分别使用热线风速计和压力计进行。
3.物理模型和网格生成
为了模拟上面描述的粒子吸入过程，在这项研究中做了几个假设，如图.4所示：
图4.吸盘口的物理模型
1)在街道清扫期间，吸盘口以恒定的行驶速度向前移动。
2)在四个狭窄的狭缝周围，有一个外部空气区域，其表面压力是大气压。
3)通过吸盘口的气流被认为是不可压缩的，湍流且稳定的。
4)假定粒子在进入前窄槽之前是静止的。
CFD中的网格生成对于提高数值模拟的精度和效率起着至关重要的作用，因此网格类型和网格划分方案的选择至关重要。 在这项研究中，吸盘口的大部分段除了颈部外都有规则的形状。
因此，为了获得高质量的网格，有必要将模型几何分解为几个部分。由于复杂的几何形状，颈部与四面体网格相啮合。 对于其他部分，采用了具有map或cooper类型的六面体格式。本研究中的计算网格约为274,157个方块。图.5显示物理模型的表面网格。
图5.物理模型的CFD表面网格
4.数学模型
4.1. 控制方程
通过拾取头的气流通过求解一组控制方程来数值计算。 考虑到通过拾取头的稳定且不可压缩的气流，RANS方程可写为：
4.2. 雷诺压力模型（RSM）
通过吸盘口的气流由于其较高的速度因而是湍流，并且对颗粒吸入过程建模的关键在于准确描述湍流行为。湍流模型的选择取决于物理模型。与广泛应用于工业流程中的k-ε模型相比较而言，RSM更准确，因为RSM考虑到了流线曲率，旋流，旋转和应变率快速变化的影响，从而更加精确地预测复杂流动[15]。许多研究表明RSM可以提供比k-ε模型更好的复杂流体计算[16,17]。
在RSM中，涡流粘度方法被弃用，雷诺应力输运方程被用来描述雷诺应力的影响。雷诺应力被用于获得雷诺平均动量方程的闭合[18]。 对于稳定的，无旋转的和不可压缩的气流，雷诺应力传输方程采用以下形式：
其中Cij，DT,ij，DL,ij，Pij，Phi;ij和εij为对流项，扩散项，分子扩散项，压力产生项，压力应变项和粘滞耗散率项。
根据公式（4），通过求解运输方程可以获得湍动能k和耗散率ε。
其中mu;t是湍流粘度，并且该模型中使用的常数是sigma;k= 0.82，Cu= 0.09，sigma;ε= 1.0，C1ε= 1.44，C2ε = 1.92[19]。
4.3. 粒子运动
采用欧拉-拉格朗日方法来预测吸盘口中的气固流场。通过求解上述的RANS方程将气相作为连续体来处理，而通过连续区域跟踪粒子来计算固相。在颗粒吸入过程中，固相呈现低体积分数，所以气固流体是稀相流。这个离散相模型（DPM）通过整合粒子上的力平衡来计算单个粒子的轨迹。基于牛顿第二定律的力平衡方程可写为[15]
其中下标p表示粒子的性质，mp是粒子质量，up是粒子的速度，FD，Fg和Fs分别是粘性阻力，重力和升力剪切力。
拉力FD可以用下面的阻力系数CD来表示：
其中rho;p是颗粒密度，dp是颗粒直径，Re是相对雷诺系数。 考虑到颗粒形状，阻力系数CD由Haider和Levenspiel的相关性定义[20]。
颗粒形状因子phi;定义为：
其中s是球体的表面积，不规则形状的粒子具有相同的体积。S是颗粒的实际表面积。
相对雷诺数Re定义为：
引力Fg可以写成：
其中g是重力加速度。
升力剪切力FS可根据相关文献计算如下形式：
其中常数K = 2.594，nu;是运动粘度，dij是变形张量[21,22]。
由于空气与粒子的密度比也是如此，所以其他的粒子作用力如虚拟质量力和巴塞特力可以忽略不计。
4.4.边界条件和解决策略
4.4.1.边界条件
通常，当道路清扫车以恒定速度行进时，在给定的压力下执行颗粒吸入过程。 因此，吸盘中的流体区域以恒定的平移速度向前移动，这相当于清扫车行驶速度。 边界条件包括入口，出口和墙壁。 将外部空气区域的表面作为压力入口，将其压力设定为大气压。 模型的出口被定义为压力出口。有两种类型的内壁，静止壁（吸盘口的底部）和移动壁，它们是吸盘外壳的其余部分。 在这些壁上，默认假定无滑动边界条件，并且吸盘的平移速度被认为是移动壁的速度。
在这项研究中，数值计算模拟沙粒作为DPM的注入颗粒。假定沙子颗粒从外部空气区域表面注入。测量表明，沙粒开始滚动，
在前窄槽之前滑动20毫米。因此，注入表面被定义在这个位置，它描述了静态颗粒的空间均匀分布。 基于现场试验，粒子进入吸盘口的质量流量设定为0.5kg / s，而道路清扫车以10km / h行进。
通过恢复系数模拟了颗粒-壁面相互作用，该系数定义了与墙壁碰撞后颗粒保留的墙面法向（或切向）的方向上的动量的大小[15]。在这个模拟中，沙粒和墙壁之间的碰撞被认为是非弹性的。表2总结了模拟的主要特点。
表2 模拟的主要特点
4.4.2.解决策略
控制气流的方程式通过使用Fluent 6.3的控制体积法进行数值求解。对于压力 - 速度耦合计算，SIMPLEC方法由于复杂的波纹而被选中。控制体积面上的数量是使用二阶迎风内插方案计算的。为了获得稳定收敛，松弛因子的取值设定为0.2-0.5，收敛准则基于残差检查和压力入口和出口表面的积分监测。在计算两相流时，气相和固相相互作用，所以双向耦合不应该忽略不计。离散随机游走模型用于模拟颗粒分散的影响。
通过在表面释放指定数量的颗粒并通过监测从吸盘口的出口逸出的颗粒的数量来研究颗粒去除性能[13]。为了评估颗粒去除性能，本文定义了两个评估颗粒去除效率的指标。首先是整体去除效率，定义为：
其中
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