扫路机是一种具有专业底盘和动力驱动装置,用于清扫、收集地(路)面垃圾的机械设备,扫路机按除尘方式分为干式除尘扫路机和湿式除尘扫路机;按作业方式可分为纯扫式扫路机、纯吸式扫路机^[1]。

干式扫路机作业原理为：垃圾在风机负压的抽吸作用下,经过吸嘴、吸管、以及风机的破碎后进入垃圾桶,其中垃圾在垃圾桶中沉降,而带尘空气则经过除尘系统过滤后排出,若配置反吹循环气路则部分带尘空气经过反吹管进入吸嘴内进行循环作业,其作业原理如图1所示。

湿式扫路机作业原理为：湿式扫路机作业行驶时,首先,清扫机构扫盘旋转,将垃圾收集至吸嘴前方,垃圾在风机负压的抽吸作用下,通过吸管抽吸到垃圾箱内(同时,吸管内喷嘴喷射水雾,对进入吸管内的含尘气流进行喷雾抑尘,粉尘在湿润气流中团聚、粘连,然后沉降到垃圾箱中),垃圾由吸管到垃圾箱的过程中,垃圾箱内流场速度急剧降低,垃圾沉降到垃圾箱内,完成清扫作业,气流通过风机排出到大气。

由于扫路机主要应用于背街小巷、街巷胡同、社区、公园景区等居民生活附近的区域,所以对其节能环保要求较高,如能耗、噪音等。目前,扫路机存在的主要问题,一是作业能耗高,考虑到排放要求,扫路机采用纯电动驱动,由于现有气力系统能耗过高,导致整机续航作业时间短,难以满足日常作业需求;二是气力除尘系统效率低;干式除尘为了保证良好的降尘效果,采用滤筒或滤布过滤除尘,作业时间久了除尘效果变差。

以上扫路机的两个问题可以通过科学设置吸入口与地面距离、吸入速度等进行解决,从而在能耗一定情况下提高垃圾吸收效率。针对以上情况,本文主要研究纯吸式干式扫路机的气力输送,拟建立物理模型,采用计算流体力学与离散单元方法对圆柱状颗粒在风机负压的作用下的运动进行数值模拟,分别分析吸入圆管入口离地面距离、颗粒密度、颗粒长径比、进口速度与吸入颗粒数目的关系,以期在一定功率下最大化实现颗粒的吸入。

本工作采用计算流体力学与离散单元方法对流场及其颗粒的运动进行模拟。该方法是一种典型的欧拉-拉格朗日方法,它采用连续介质理论描述流体,并单独追踪每一个颗粒的运动状态。同时,该方法还考虑了颗粒与流体之间的相互作用,该方法被广泛应用于流化床、气力输送等具有大量颗粒的两相流系统模拟中^[2-4]。

流体相控制方程包括连续性方程和动量方程,以下方程包含了颗粒在空间中占据的体积效应及两相间的动量交换作用^[5-6]

式中$\varepsilon_{\rm g}$,$\rho_{\rm g}$,$u_{\rm g}$,$p$,$\tau_{\rm g}$分别为流体的孔隙率、密度、速度、压力和应力项,$S_{\rm p}$为颗粒与流体之间的动量交换项。方程采用有限体积法求解。

柱状颗粒采用多球模型^[7]描述,即由若干个在同一轴线上相互重叠的子球共同组成一个类柱状颗粒,在柱颗粒运动过程中,子球之间保持刚性连接,而柱颗粒之间的碰撞可以通过子球之间的赫兹碰撞定律^[8]的软球模型^[9]求解。

单个柱状颗粒在求解过程中被视为整体,其运动方程为^[10]

式中,$m_{i}$,$v_{i}$,$I_{i}$, $\omega_{i}$分别为第$i$个颗粒的质量、速度、惯量张量及角速度,$F_{i}$和$M_{i}$则为其受到的外力及外力矩,体现了重力、气动力(转矩)、碰撞力(力矩)等作用。

如图1所示,构建简化物理模型,模拟三维圆柱形颗粒在圆管中的运动。设置管径为30 cm,高度为150 cm。考虑到扫路机的真实工作情况,模拟流体为密度1.2 kg/m$^{3}$的空气,选取模拟的颗粒密度分别取800 kg/m$^{3}$和1500 kg/m$^{3}$,圆柱颗粒高度为2 cm,直径为5 mm;颗粒数目为200;进口与地面的距离为$l$,初始设置为4 cm。

吸式扫地机吸入口距离地面有一定距离,吸入口距离影响吸入颗粒效率。在本部分中选取4个吸入口距离($l=0.02$ m,0.04 m,0.06 m,0.08 m),保持其他物理量不变(管径$\varPhi=0.3$ m,高度$h=1.5$ cm。吸入速度$V_{\rm in}=8$ m/s,流体密度$\rho_{\rm f}=1.2$ kg/m$^{3}$,颗粒密度$\rho_{\rm p}=800$ kg/m$^{3}$,1500 kg/m$^{3}$,圆柱颗粒高度$h_{\rm p}=2$ cm,直径$\varPhi_{\rm p}=5$ mm;颗粒数目$N_{\rm t}=200$),研究圆管入口离地面距离对吸入颗粒数目$N$的影响。

结果如图2所示,对于吸入口距离$l$为0.02 m时,不同吸入速度下颗粒的吸入效率相近,吸入速度的不同对颗粒的吸入效率影响较小;当吸入口距离增大后,吸入效率降低,尤其对于大密度颗粒,吸入效率降低幅度增大。

吸式扫路机在实际工作中,需要对不同密度的垃圾进行清理,因此对不同密度颗粒进行了数值模拟,研究在一定吸入速度下不同密度颗粒的吸入效率。选取5种颗粒密度($\rho_{\rm p}= 600$ kg/m$^{3}$, 800 kg/m$^{3}$, 1000 kg/m$^{3}$, 1200 kg/m$^{3}$, 1500 kg/m$^{3})$,进口吸入速度分别取$V_{\rm in}=8$ m/s和10 m/s,保持其他物理量不变(管径$\varPhi=30$ cm,高度$h=150$ cm。流体密度$\rho_{\rm f}=1.2$ kg/m$^{3}$,圆柱颗粒高度$h_{\rm p}=2$ cm,直径$\varPhi_{\rm p}=5$ mm;颗粒数目$N_{\rm t}=200$),研究颗粒密度对吸入颗粒数目$N$的影响。结果如图3所示,对于高吸入速度(10 m/s)下,不同密度的颗粒吸入效率较为接近,吸入效率变化不大;而对于在低吸入速度(8 m/s)下,随着密度增大,吸入效率显著降低。

扫路机气力输送系统的吸入效率直接取决于气流的吸入速度。如果吸入速度太小,则系统无法顺利地将路面垃圾吸入,清扫效果较差。如果吸入速度太大,则对扫路机的性能要求较高,功耗提高,同时吸入垃圾的高速运动也会加剧气力输送系统部件的磨损。因此,确定合适的吸入速度,在吸入效率与能耗功率保持平衡显得尤为重要。以下对不同吸入速度进行数值模拟,研究在相同物理量下不同吸入速度的吸入效率。选取5种吸入速度($V_{\rm in}=6$ m/s,8 m/s,10 m/s,12 m/s和14 m/s),颗粒密度分别取$\rho _{\rm p}=800$ kg/m$^{3}$, 1500 kg/m$^{3}$,保持其他物理量不变(管径$\varPhi=30$ cm,高度$h=150$ cm。流体密度$\rho _{\rm f}=1.2$ kg/m$^{3}$,圆柱颗粒高度$h_{\rm p}=2$ cm,直径$\varPhi_{\rm p}=5$ mm;颗粒数目$N_{\rm t}=200$),研究吸入速度对吸入颗粒数目$N$的影响。

结果如图4所示,对于小密度颗粒,当吸入速度高于8 m/s时,不同吸入速度间吸入效率增长较小;然而对于大密度颗粒,不同吸入速度下颗粒的吸入效率差别较大,吸入速度对于吸入效率影响较大。

为进一步模拟不同形状垃圾的吸入效率,对不同长径比颗粒在一定吸入速度下的吸入效率进行研究。选取5种长径比颗粒($\lambda =4$,6,8,10,15),颗粒密度分别取$\rho_{\rm p}= 800$ kg/m$^{3}$,1500 kg/m$^{3}$,保持其他物理量不变(管径$\varPhi =30$ cm,高度$h=150$ cm。流体密度$\rho _{f}=1.2$ kg/m$^{3}$,圆柱颗粒体积保持不变,直径$\varPhi_{\rm p}=5$ mm;颗粒数目$N_{\rm t}=200$),研究颗粒长径比对吸入颗粒数目$N$的影响。结果如图5所示,相比于密度对于吸入效率的影响,颗粒长径比对于吸入效率的影响较小,由图可见,颗粒长径比对于吸入效率的影响较小。

对处于地面不同半径范围内颗粒的吸入效率进行研究,半径取0.05 m,0.1 m,0.15 m,0.2 m,颗粒密度取$\rho_{\rm p}= 800$ kg/m$^{3}$, 1500 kg/m$^{3}$,保持其他物理量不变(管径$\varPhi =30$ cm,高度$h=150$ cm。流体密度$\rho_{\rm f}=1.2$ kg/m$^{3}$, 圆柱颗粒高度$h_{\rm p}=2$ cm,直径$\varPhi _{\rm p}=5$ mm;颗粒数目$N_{\rm t}=200$)。结果如图6所示,当颗粒所处的半径$r$小于吸入管径$R$时,随着半径$r$的增大,吸入效率逐渐增大;当所处半径$r$大于吸入管径$R$时,吸入效率减小。由图7可见,在邻近吸入口中心轴线的地面,流场速度较小,因此靠近中心轴线的区域颗粒的吸入效率较小,而越邻近吸入管道半径的位置,流场速度较大,因此相应位置的颗粒吸入效率较高。

本文主要探究纯吸式干式扫路机气力输送系统的吸尘效率。应用计算流体力学——离散单元法对流场及其流场中的圆柱状颗粒进行数值模拟,分别研究颗粒密度、颗粒长径比、气体吸入速度以及颗粒初始位置对于颗粒吸入效率的影响。结果表明：吸入口与颗粒所处平面的距离越大,颗粒的吸入效率越低,尤其是对于高密度颗粒影响更大。颗粒密度对吸入效率的影响为负相关,即颗粒密度越大,吸入效率越低,此时可以通过增大吸入速度进行吸入效率的提高。颗粒长径比对吸入效率的影响较小。吸入速度与颗粒的吸入效率为正相关,吸入速度越大,吸入效率则越大。对于小密度颗粒,应做好吸入效率与经济性的平衡,即吸入速度对于吸入效率的影响是边际递减,当吸入速度增大至一定值时,颗粒的吸入效率变化很小。同时,颗粒所处位置也会影响颗粒吸入效率,结果表明,颗粒所处位置距离吸入口圆周距离越小,颗粒的吸入效率越高。