CN105239522A - 一种基于cfd设计扫路车气力输送系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法，该方法包括以下步骤：1）建立扫路车气力输送系统原始模型；2）根据上述扫路车气力输送系统原始模型建立除风机外的系统阻力模型，对该系统阻力模型进行分析优化，选出最终方案的系统阻力模型；3）根据上述最终方案的系统阻力模型选择风机；4）对上述选出的风机进行优化；5）将最终方案的系统阻力模型与最终方案的风机组成扫路车气力输送系统的最终设计方案。采用本发明的设计方法，极大的提高了设计效率，缩短了设计周期，降低了研发和试验成本，并且吸尘效果良好，取得了良好的社会和经济效益。

Description

一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，尤其涉及一种基于CFD(Computationalfluiddynamics，计算流体力学)的扫路车气力输送系统设计方法。

背景技术

如图1所示，扫路车气力输送系统主要包括集成箱01、风机02、吸筒03和吸嘴04。扫路车采用真空负压吸尘，由风机02对集尘箱01抽吸产生负压，集尘箱01通过吸筒03连接吸嘴04，吸嘴04在路面形成负压，捕获路面垃圾。

目前，扫路车气力输送系统的设计，主要依靠经验，先制造样机，然后对样机进行试验，发现问题，进行改进，循环往复多次，逐渐达到一定的性能要求。样车生产费用及试验费用都很高，不利于节约成本，并且会延长产品的研发及生产周期。

经检索，至今尚未见基于CFD的扫路车气力输送系统设计方法的相关技术，只有一些文献提到气力输送系统部分组件的CFD优化。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法，目的在于改变传统的纯粹依靠经验设计气力输送系统的方法，将计算流体力学技术手段融入到气力输送系统的设计工作中，进行气力输送系统设计的创新，使设计者有理论可依，并且可以直观的观察气力输送系统各部位的流动情况、提取流体参数，杜绝盲目依靠经验，增强设计方案的可靠性，并提高设计的效率，缩短设计的周期，降低研发及试验成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法，所述扫路车气力输送系统包括集成箱、风机、吸筒和吸嘴；所述方法是基于CFD流体模拟软件实现，该方法的具体包括以下步骤：

1)建立扫路车气力输送系统原始模型；

2)根据上述扫路车气力输送系统原始模型建立除风机外的系统阻力模型，对该系统阻力模型进行分析优化，具体分析优化的步骤如下：

a、建立上述系统阻力模型，导入CFD前处理器，划分网格，设置风机入口与集尘箱连接处截面为“pressure-outlet”，吸嘴周边拓展区域入口面为“pressure-inlet”，生成网格文件，导入CFD求解器；

b、在CFD求解器中，“pressure-outlet”值为预估的负压，“pressure-inlet”值为0Pa，选用稳态压强基求解器、标准k-ε双方程湍流模型、选用simple控制方程、设置控制参数和残差控制，进行运算分析；

c、对系统阻力模型进行优化，通过改变系统阻力模型的尺寸、形状、光滑过渡的方法，减小或消除湍流强度大的区域，并根据集尘箱存在的涡流区较小，集成箱内部气流速度较低，而且集成箱内部的底部为低速区域为选取标准，选取出若干个优化的系统阻力模型；

d、从原始的系统阻力模型与多个优化的系统阻力模型中选出较好的若干个模型，具体方法如下：通过模拟画出每个模型的系统阻力曲线，选取曲率最低同时静压变化缓和、突变少，而且吸嘴底部气流速度≥公式1中U，且分布较广，吸筒内部的气流速度≥公式1中V₀，且分布较广的若干个模型；

公式1： $U=\sqrt{\frac{2\mathrm{\μ}}{C_D+{\mathrm{\μC}}_L}\frac{\left({\mathrm{\ρ}}_c-\mathrm{\ρ}\right)g}{\mathrm{\ρ}}\frac{V}{A}},V_0=\sqrt{\frac{4d({\mathrm{\ρ}}_c-\mathrm{\ρ})g}{3C_D\mathrm{\ρ}}},$

式中，U——单个尘粒的起动速度，m/s；

V₀——单个尘粒的悬浮速度，m/s；

μ——尘粒与管道的摩擦系数；

C_D——总阻力系数；

C_L——升力系数；

ρ_c——尘粒真密度，kg/m³；

ρ——空气密度，kg/m³；

g——重力加速度,m/s²；

V——尘粒体积,m³；

A——尘粒迎面面积，m²；

d——尘粒直径，m；

其中，μ、C_D、C_L、ρ_c、ρ、g、V、A、d均为指定的已知值；

e、对上述步骤d选出的若干个模型进行DPM模拟，通过DPM后处理小工具DPMPostprocessing.exe得出尘粒逃逸率，选择逃逸率最低的模型作为最终方案的系统阻力模型；

3)根据上述最终方案的系统阻力模型选择风机，具体方法如下：在最终方案的系统阻力模型中，系统流量Q＝V₀×吸筒截面积S₀，设置风机入口与集尘箱连接处截面为“velocity-inlet”，该“velocity-inlet”的值V＝Q/风机入口与集尘箱连接处截面积S，方向朝外；同时设置吸嘴周边拓展区域入口面为“pressure-inlet”，“pressure-inlet”值值为0Pa，进行运算分析，得出此时风机入口与集尘箱连接处静压P，根据P、Q以及风机动力源功率、风机转速和安装空间查风机手册选出符合的风机；

4)对上述选出的风机进行优化，具体分析优化的步骤如下：

a、建立上述所选出风机的模型，导入CFD前处理器，划分网格，设置风机入口截面为“velocity-inlet”，设置风机出口截面为“pressure-outlet”；

b、在CFD求解器中，设置“velocity-inlet”值为V，方向朝内，设置“pressure-outlet”值为0Pa，选用稳态压强基求解器、标准k-ε双方程湍流模型、simple控制方程，设置控制参数和残差控制，采用MRF模型，设定风机旋转转速，进行运算分析；

c、对原始的风机模型进行优化，通过改变风机的出口安装角、叶轮宽度、叶片数、入口安装角或蜗壳出口扩压角，选出静压较高，蜗壳内低压区域较少，静压分布较均匀，蜗壳流道内的二次流漩涡强度较低的若干优化的风机模型；

d、在最终方案系统阻力模型的系统阻力曲线的图中分别画出原始的风机模型与若干优化的风机模型的性能曲线，风机模型的性能曲线包括静压曲线、轴功率曲线和效率曲线，其中，静压曲线与上述系统阻力曲线的交点为工况点，选出工况点所对应的压强、流量为最大的，并且工况点靠近效率最高点、静压裕量大、效率曲线高且最高范围宽而平坦的风机模型作为最终方案的风机；

5)将最终方案的系统阻力模型与最终方案的风机组成扫路车气力输送系统的最终设计方案。

步骤1)中建立扫路车气力输送系统原始模型具体包括：根据清扫宽度确定吸嘴长度范围；根据车型大小、垃圾收运吨位和降尘需要确定集尘箱总体尺寸范围；根据安装空间确定风机外型尺寸范围。

本发明的设计方法将计算流体力学技术手段融入到气力输送系统的设计工作中，进行气力输送系统设计的创新，使设计者有理论可依，并且可以直观的观察气力输送系统各部位的流动情况、提取流体参数，杜绝盲目依靠经验，增强设计方案的可靠性极大的提高了设计效率，缩短了设计周期，降低了研发和试验成本，并且吸尘效果良好，取得了良好的社会和经济效益。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

图1为扫路车气力输送系统的结构示意图；

图2为系统阻力模型的结构示意图；

图3为系统的性能曲线图。

具体实施方式

本发明一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法，所述扫路车气力输送系统包括集成箱、风机、吸筒和吸嘴；所述方法是基于CFD流体模拟软件实现，该方法的具体包括以下步骤：

1)建立扫路车气力输送系统原始模型；建立扫路车气力输送系统原始模型具体包括：根据清扫宽度确定吸嘴长度范围；根据车型大小、垃圾收运吨位和降尘需要确定集尘箱总体尺寸范围；根据安装空间确定风机外型尺寸范围；

2)根据上述扫路车气力输送系统原始模型建立除风机外的系统阻力模型，对该系统阻力模型进行分析优化，分析优化的基本方法为：在风机入口与集尘箱连接处设置相同的预估负压，对其进行CFD仿真模拟，优化原始的系统阻力模型，得出若干优化的系统阻力模型，对比所有模型，从中选出一个最佳模型作为最终方案的系统阻力模型；具体分析优化的步骤如下：

a、如图2所示，建立上述系统阻力模型，导入CFD前处理器，划分网格，设置风机入口与集尘箱连接处截面1为“pressure-outlet”，吸嘴周边拓展区域2入口面为“pressure-inlet”，生成网格文件，导入CFD求解器；

b、在CFD求解器中，“pressure-outlet”值为预估的负压，“pressure-inlet”值为0Pa，选用稳态压强基求解器、标准k-ε双方程湍流模型、选用simple控制方程、设置控制参数和残差控制，进行运算分析；

c、对系统阻力模型进行优化，通过改变系统阻力模型的尺寸、形状、光滑过渡的方法，减小或消除湍流强度大的区域，并根据集尘箱存在的涡流区较小，集成箱内部气流速度较低，而且集成箱内部的底部为低速区域为选取标准，选取出若干个优化的系统阻力模型；

d、从原始的系统阻力模型与多个优化的系统阻力模型中选出较好的若干个模型，具体方法如下：通过模拟画出每个模型的系统阻力曲线，选取曲率最低同时静压变化缓和、突变少，而且吸嘴底部气流速度≥公式1中U，且分布较广(即吸嘴底部气流速度≥公式1中U的分布面积较广)，吸筒内部的气流速度≥公式1中V₀，且分布较广(即吸筒内部气流速度≥公式1中V₀的分布面积较广)的若干个模型；

公式1： $U=\sqrt{\frac{2\mathrm{\μ}}{C_D+{\mathrm{\μC}}_L}\frac{\left({\mathrm{\ρ}}_c-\mathrm{\ρ}\right)g}{\mathrm{\ρ}}\frac{V}{A}},V_0=\sqrt{\frac{4d({\mathrm{\ρ}}_c-\mathrm{\ρ})g}{3C_D\mathrm{\ρ}}},$

式中，U——单个尘粒的起动速度，m/s；

V₀——单个尘粒的悬浮速度，m/s；

μ——尘粒与管道的摩擦系数；

C_D——总阻力系数；

C_L——升力系数；

ρ_c——尘粒真密度，kg/m³；

ρ——空气密度，kg/m³；

g——重力加速度,m/s²；

V——尘粒体积,m³；

A——尘粒迎面面积，m²；

d——尘粒直径，m；

其中，μ、C_D、C_L、ρ_c、ρ、g、V、A、d均为指定的已知值；

e、对上述步骤d选出的若干个模型进行DPM模拟，通过DPM后处理小工具DPMPostprocessing.exe得出尘粒逃逸率，选择逃逸率最低的模型作为最终方案的系统阻力模型；

3)根据上述最终方案的系统阻力模型选择风机，具体方法如下：在最终方案的系统阻力模型中，系统流量Q＝V₀×吸筒截面积S₀，设置风机入口与集尘箱连接处截面为“velocity-inlet”，该“velocity-inlet”的值V＝Q/风机入口与集尘箱连接处截面积S，方向朝外；同时设置吸嘴周边拓展区域入口面为“pressure-inlet”，“pressure-inlet”值值为0Pa，进行运算分析，得出此时风机入口与集尘箱连接处静压P，根据P、Q以及风机动力源功率、风机转速和安装空间查风机手册选出符合的风机；

4)对上述选出的风机进行优化，具体分析优化的步骤如下：

a、建立上述所选出风机的模型，导入CFD前处理器，划分网格，设置风机入口截面为“velocity-inlet”，设置风机出口截面为“pressure-outlet”；

b、在CFD求解器中，设置“velocity-inlet”值为V，方向朝内，设置“pressure-outlet”值为0Pa，选用稳态压强基求解器、标准k-ε双方程湍流模型、simple控制方程，设置控制参数和残差控制，采用MRF模型，设定风机旋转转速，进行运算分析；

c、对原始的风机模型进行优化，通过改变风机的出口安装角、叶轮宽度、叶片数、入口安装角或蜗壳出口扩压角，选出静压较高，蜗壳内低压区域较少，静压分布较均匀，蜗壳流道内的二次流漩涡强度较低的若干优化的风机模型；

d、如图3所示，在最终方案系统阻力模型的系统阻力曲线的图中分别画出原始的风机模型与若干优化的风机模型的性能曲线，风机模型的性能曲线包括静压曲线、轴功率曲线和效率曲线，其中，静压曲线与上述系统阻力曲线的交点为工况点，选出工况点所对应的压强、流量为最大的，并且工况点靠近效率最高点、静压裕量大、效率曲线高且最高范围宽而平坦的风机模型作为最终方案的风机；

5)将最终方案的系统阻力模型与最终方案的风机组成扫路车气力输送系统的最终设计方案。

应当理解的是，本发明采用的CFD流体模拟软件为Fluent，采用其它CFD流体模拟软件，如果全部或部分采用本发明的设计方法也在本发明保护范围之内；同时上述的具体实施步骤仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明中对某些组件的分析方法也在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法，所述扫路车气力输送系统包括集成箱、风机、吸筒和吸嘴；其特征在于：所述方法是基于CFD流体模拟软件实现，该方法的具体包括以下步骤：

1)建立扫路车气力输送系统原始模型；

2)根据上述扫路车气力输送系统原始模型建立除风机外的系统阻力模型，对该系统阻力模型进行分析优化，具体分析优化的步骤如下：

a、建立上述系统阻力模型，导入CFD前处理器，划分网格，设置风机入口与集尘箱连接处截面为“pressure-outlet”，吸嘴周边拓展区域入口面为“pressure-inlet”，生成网格文件，导入CFD求解器；

b、在CFD求解器中，“pressure-outlet”值为预估的负压，“pressure-inlet”值为0Pa，选用稳态压强基求解器、标准k-ε双方程湍流模型、选用simple控制方程、设置控制参数和残差控制，进行运算分析；

c、对系统阻力模型进行优化，通过改变系统阻力模型的尺寸、形状、光滑过渡的方法，减小或消除湍流强度大的区域，并根据集尘箱存在的涡流区较小，集成箱内部气流速度较低，而且集成箱内部的底部为低速区域为选取标准，选取出若干个优化的系统阻力模型；

d、从原始的系统阻力模型与多个优化的系统阻力模型中选出较好的若干个模型，具体方法如下：通过模拟画出每个模型的系统阻力曲线，选取曲率最低同时静压变化缓和、突变少，而且吸嘴底部气流速度≥公式1中U，且分布较广，吸筒内部的气流速度≥公式1中V₀，且分布较广的若干个模型；

公式1：

式中，U——单个尘粒的起动速度，m/s；

V₀——单个尘粒的悬浮速度，m/s；

μ——尘粒与管道的摩擦系数；

C_D——总阻力系数；

C_L——升力系数；

ρ_c——尘粒真密度，kg/m³；

ρ——空气密度，kg/m³；

g——重力加速度,m/s²；

V——尘粒体积,m³；

A——尘粒迎面面积，m²；

d——尘粒直径，m；

其中，μ、C_D、C_L、ρ_c、ρ、g、V、A、d均为指定的已知值；

e、对上述步骤d选出的若干个模型进行DPM模拟，通过DPM后处理小工具DPMPostprocessing.exe得出尘粒逃逸率，选择逃逸率最低的模型作为最终方案的系统阻力模型；

3)根据上述最终方案的系统阻力模型选择风机，具体方法如下：在最终方案的系统阻力模型中，系统流量Q＝V₀×吸筒截面积S₀，设置风机入口与集尘箱连接处截面为“velocity-inlet”，该“velocity-inlet”的值V＝Q/风机入口与集尘箱连接处截面积S，方向朝外；同时设置吸嘴周边拓展区域入口面为“pressure-inlet”，该“pressure-inlet”值为0Pa，进行运算分析，得出此时风机入口与集尘箱连接处静压P，根据P、Q以及风机动力源功率、风机转速和安装空间查风机手册选出符合的风机；

4)对上述选出的风机进行优化，具体分析优化的步骤如下：

a、建立上述所选出风机的模型，导入CFD前处理器，划分网格，设置风机入口截面为“velocity-inlet”，设置风机出口截面为“pressure-outlet”；

b、在CFD求解器中，设置“velocity-inlet”值为V，方向朝内，设置“pressure-outlet”值为0Pa，选用稳态压强基求解器、标准k-ε双方程湍流模型、simple控制方程，设置控制参数和残差控制，采用MRF模型，设定风机旋转转速，进行运算分析；

c、对原始的风机模型进行优化，通过改变风机的出口安装角、叶轮宽度、叶片数、入口安装角或蜗壳出口扩压角，选出静压较高，蜗壳内低压区域较少，静压分布较均匀，蜗壳流道内的二次流漩涡强度较低的若干优化的风机模型；

d、在最终方案系统阻力模型的系统阻力曲线的图中分别画出原始的风机模型与若干优化的风机模型的性能曲线，风机模型的性能曲线包括静压曲线、轴功率曲线和效率曲线，其中，静压曲线与上述系统阻力曲线的交点为工况点，选出工况点所对应的压强、流量为最大的，并且工况点靠近效率最高点、静压裕量大、效率曲线高且最高范围宽而平坦的风机模型作为最终方案的风机；

5)将最终方案的系统阻力模型与最终方案的风机组成扫路车气力输送系统的最终设计方案。

2.根据权利要1所述的一种基于CFD设计扫路车气力输送系统的方法，其特征在于：步骤1)中建立扫路车气力输送系统原始模型具体包括：根据清扫宽度确定吸嘴长度范围；根据车型大小、垃圾收运吨位和降尘需要确定集尘箱总体尺寸范围；根据安装空间确定风机外型尺寸范围。