逆吹夹嘴气固两相流数值模拟外文翻译资料

译 文

逆吹夹嘴气固两相流数值模拟

郗元，成凯，娄希同，陈磊，董超

1 中国长春 130022 吉林大学机械科学与工程学院

2 中国徐州 221007 XCMG徐州汽车起重机有限公司

摘 要

拾取口是清扫车服务性能的重要组成部分。本文采用计算流体力学（CFD）技术作为流体流动模拟的分工具，可以大大缩短计算周期。为了获得更高的仿真精度，在数值仿真过程中不能忽略气固耦合。我们的优化过程考虑了结构和排列参数的影响。建议出口直径小于0.42的宽度和出口斜度110°为结构参数。当反流率为70%时，清扫车行驶速度为10km/h，压降为2400pa，提高了除尘效率。仿真结果与物理实验结果吻合较好。

关键字：清扫车；皮卡口；参数优化；计算流体动力学（CFD）；气-固界面

中联科利号码：U418.3

文件代号：A

文章编号：1672-5220（2015）04-0530-06

导 言

道路扬尘是城市主要的颗粒物污染，对颗粒物浓度^[1]有很大的影响。清扫车通常被用来清除路面上堆积的灰尘、淤泥和雨水，因此许多地方政府把它作为控制污染物的有效卫生设备。国内外学者对清扫车给予了很大的关注。为了提高皮卡口的收尘效率，Chen等人通过实验增加了挡板的前后两侧。随着计算机技术的飞速发展，计算流体力学被成功地应用于各种工业气力输送过程的研究^[8-10]。Zeng等人^[11-12]提出了用CFD改变皮卡口结构的改进措施。Yang等人^[13-14]采用气体和固体模型的分布来验证不同直径颗粒的吸力效应。单吸皮卡口已经被研究较多，但关于反向吹气皮卡口的研究报道较少。摘要研究了在考虑清扫车和拾取尺寸干扰的情况下，拾取口的结构和工作参数，得到最优的拾取口结构和运行条件。

1. 气动输送系统

示意图和气流路线如图所示。分别为图1和图2。清扫器使用旋转刷子将颗粒扫到清扫器的中心。拾取口下的负压产生一个真空，将颗粒带入料斗。调节手柄（如图所示）。可以调整流量的分配，流量的数量在沉降和过滤之后被重复使用，松开街道上的碎片，使空气通过“再生回路”不断流动。 其余流量输送至脉冲除尘装置，最后将净化后的空气排尽至空气中。

1. 水箱；2-引擎；3-滤尘器；4-离心风机；

5-离心清洗机；6-料斗； 7-圆柱形刷；8-反向吹拾料口

图1 蓄热式空气系统清扫器原理图

图2气力输送系统流程图

反吹皮卡口的原理图如图3所示。起货口工作时，支撑轮和提升吊耳保证了皮卡口工作时的地面间隙。负压是由离心风机在出口处产生的，较大的颗粒被吸进橡胶挡板。进口通过调节手柄与离心风机出口连接。空气进入反吹腔是通过L型槽（图中的区域 VI）喷射的。在出口和入口的作用下，地面上的颗粒被提升并通过管道输送到料斗。

1. 出口；2-主吊耳；3-入口；4-支撑轮；5-橡胶挡板

图3 反向吹吸嘴示意图

第2章 数值模拟与求解方法

2.1 物理模型和网格生成

如图4所示。L是长度，B是宽度，H是高度,B是出口倾角，D₁是出口直径，D₂是入口直径，V是清扫车行进速度。该模型中使用的常数为L=1400mm，B=480mm，H=130mm。

图4 反吹皮卡口结构尺寸

采用 Pro/E 建立了反吹皮卡口的全流道模型。由于地面间隙，颗粒以一定的速度被气流吸入。而流量和压力等都是未知的，利用外部空气域模拟实际情况。

为了获得较高的数值模拟精度和效率，网格生成是至关重要的。有必要将复杂的几何图形分解成几个部分。每个部分都通过集成计算机工程和制造代码（ICEM）与结构化网格进行了啮合。采用网格独立性试验，保证了计算精度的提高。图5显示了计算模型的网格。

图5计算模型网格

2.2 离散相位模型与边界条件

采用DPM模型模拟实际情况，计算除尘效率，道路模型等。用于计算粉尘收集效率。图6显示了沙粒的累积尺寸分布，其中Y_d是质量分数，d_p是粒子直径。

图6 砂粒的累积粒径分布

计算中根据流量特性选择K-r模型。采用欧拉-拉格朗日法模拟气固两相流在拾取口内的流动。采用DPM是因为固相体积分数低。为了高精度的求解，采用了 简单算法和二阶迎风方案。在外部空气区域施加压力入口边界条件，以及规定了大气压。利用压力出口和速度入口边界条件分别表示出口和入口。在底壳上，施加静态壁，并对剩余壳施加移动壁条件。表1显示了CFD模拟的设置。

计算中根据流量特性选择K-ε模型。采用欧拉-拉格朗日法模拟气固两相流在拾取口内的流动。采用DPM是因为固相体积分数低。为了高精度的求解，采用了 简单算法和二阶迎风方案。在外部空气区域施加压力入口边界条件，以及规定了大气压。利用压力出口和速度入口边界条件分别表示出口和入口。在底壳上，施加静态壁，并对剩余壳施加移动壁条件。表1显示了CFD模拟的设置。

特征 气相 固相

流体 空气 —

可压缩性 不可压缩 —

细胞数 114949 —

时间依赖 稳态 —

湍流模型 k-ε —

入口条件 压力入口 —

出口条件 压力出口 —

总流量/（千克/秒^-1) — 0.5

直径分布 — 罗辛-拉姆勒

粒子平均直径/mu;m — 81

扩展参数 — 5.95

粒子数 — 25621

归还系数 — 普通的0.95；特殊的0.85

表1 CFD模拟设置

为了描述颗粒吸入的过，有几个假设。（1）皮卡口内外不存在热交换。（2）在四个纳米槽周围使用外部空气域，其压力与大气相同。（3）颗粒静止后，清扫器向前移动均匀。

粒子运动的起始是指粒子开始运动的最小速度^[16-17]。所以拾取速度是一个重要的参数。不同尺寸的粒子拾取速度如图所示。 图7结合Bagnold公式^[18]和朱的实验结果^[19]，取沙密度（1.94 吨/ 米³）作为例子。

图7 不同尺寸粒子的拾取速度

2.3 流程图

气固耦合流程图如图8所示 反吹皮卡口的全流道模型已建立。复杂模型被分解成几个部分，每个部分通过ICEM与结构网格啮合。在Fluent软件中对气固耦合进行了仿真计算。连续相位迭代计算在设置边界条件和初始化后开始工作。 计算结果是否满足目标参数后进行计算收敛。如果结果不符合要求，模型将重新设计；相反，分散相位迭代计算将开始。总体去除效率按分散相计算，与QC/T512006^[20] 中不低于 90%的去除效率进行比较。如果结果不符合这一要求，模型将被重新设计；相反，模型将被输出。

图8 气固耦合流程图

3.结果与讨论

3.1 结构参数分析

3.1.1 出口直径

由于皮卡口和清扫器之间的尺寸干扰，L、B 和 H 没有调整尺寸。压力出口（1-出口 图3中）和速度入口（3-入口 图3中）根据实测值分别为-2100Pa和19m/s，地面间隙为10mm。

假设 D₂ =0.42B。平均速度、压力和i_D1B的关系曲线（出口直径和宽度之比）如图9所示。四个狭缝的平均速度随i_D1B的增加而增大。i_D1B增加，而压力在入口的1-出口（如图所示）随i_D1B降低不断增加。 但这两个参数在i_D1B大于零时都略有变化。因为出口处的压力不变。直径越大，除尘功率越高，使得平均速度增大。较大直径造成挡板与出口距离减小，使摩擦损失与压力同时减小，较低的压力导致气流速度的增加，从而导致摩擦损失的增加。 同时，摩擦损耗和粉尘收集功率的增加近似相等，当i_D1B ge;0.45，使得平均速度和压力变化不大。

1. 前窄缝平均速度
2. 后窄缝平均速度
3. 左窄缝平均速度
4. 右窄缝平均速度

5-出口管口压力
图9 平均速度、压力和i_D1B的关系曲线

3.1.2 出口倾角

假设D₁= 0.42B和D₂=0。图10显示出了平均速度、压力和出口倾角beta;的关系曲线。倾角越大，当beta; le;105°时气流越平滑，能量损失越小。较小的能量损失导致平均速度的增加和压力值的降低。倾角越大，当beta;ge;105°时，气流变得不光滑，这使得能量损失越大。较大的能量损失造成收尘功率下降。同时，它使平均速度减小，压力增大。更重要的是，较大的倾角beta;使横截面积变大，从而导致出口处负压的影响更小。因此，入口处的压力急剧增加。

在分析上述结构参数影响的基础上，选择beta;=110°。在下一次分析中采用了该最优模型。

图10 平均速度、压力与beta; 的关系曲线

1. 2操作参数分析

3.2.1 反吹流量

第2节中提到的粒子模型。利用2计算了除尘效率，并对实际情况进行了模拟。整体去除效率已在注射表面释放指定数量的粒子，并通过监测通过出口逃逸的粒子数量。并且用相同的方法同时获得等级效率。

以最大有效运行速度12km/h为例。反吹流量对整体去除效率的影响如图11所示。流量小于2172m³/h 时，整体去除效率提高。否则整体去除效率显著降低，当反吹流量大于2172m³/h时，随着流量的增加，出现了颗粒泄漏现象并变得更加严重。这是因为反向吹气流量和清扫器行进速度使颗粒与拾取口之间的相对速度提高，大多数颗粒以较大的撞击角度移动，导致吸入后颗粒逃逸。根据 QC/T51-2006，去除率不低于90%。^[20]建议最大逆吹流量为 2172m³/h，占风机总流量的70%。在下面的操作参数计算中采用了该方法。

反吹流量/（m³.h^-1）

图11 逆流率与收集效率的关系

3.2.2 清扫车行驶速度

压降和反吹流量分别设定为2200Pa和2172m^3/h。总体去除效率和等级如图所示。通过改变清扫车行驶速度。图12（a）显示，随着清扫车行驶速度的增加，整体去除效率降低，速度的增加导致相对速度的增加，这是在清扫器和粒子之间。较高的速度使颗粒质量负载率较大，颗粒获得较少的动能，从而降低了去除效率。图 12（b）显示，随着清扫车行驶速度的增加，最小粒子的等级效率降低了 9%。虽然最大粒子的分级效率降低了33%，但上述惯性效应也可以解释这一点。建议根据不低于 90% 的去除效率，最大清扫车行驶速度为10公里/小时。

（a）整体去除效率

(b)分级效率

图12 速度与凝聚效率关系曲线

3.2.3 压降

总体去除率和分级效率如图13所示。通过以10公里/小时的速度通过反向吹气拾取口来改变压降。当压降从3200到3500Pa时，整体除尘效率略有提高。 随着压降的增加，颗粒获得了更多的动能。因此，整体除尘效率提高。当压降大于3200Pa时，摩擦损失的增加近似等于收尘功率的增加，整体除尘效率略有提高。图13（b）表明，随着压降的减小，最小颗粒的分级效率降低了14%，而最大颗粒的分级效率降低了35%。根据不低于90%的去除效率，建议压降为 2400Pa。

图13 压降与收集效率的关系

3.3 速度矢量

根据上述分析，结构和运行参数的优化列于表2。图14显示了在优化操作参数下改进的反向吹气拾取口的速度矢量截面。参照图14（a），在Ⅰ区有一个低速，但Ⅰ区在中

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