智能掃路車風機內流特性及優化設計

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摘要：針對某型智能掃路車專用風機吸力不足的問題，以掃路車核心部件-專用風機為研究對象，采用RNGk-ε模型對其內流場進行數值仿真分析，分析專用風機在額定工況下的內流特性，辨識風機優化提升關鍵點。結果表明：優化風機相對原始風機葉輪內部流場均勻，葉輪流道內旋渦明顯減小，風機流量提升了19.79%，全壓升提升了20.4%，滿足該型智能掃路車的吸力需求，對同類型掃路車的清掃性能提升提供了必要的參考依據。

關鍵詞：智能掃路車；專用離心風機；渦流；葉輪

引言

隨著我國城市化進程的發展，環衛車逐漸向智能化方向發展。智能掃路車作為新一代路面作業清潔工具之一，各地環衛部門對其需求量逐漸增加，應用范圍越來越廣泛[1]。掃路車專用風機是智能掃路車氣力系統的核心零部件、動力源，專用風機的氣動特性直接影響著掃路車的整體性能[2-3]。因此，掃路車專用風機的氣動特性研究，不僅是智能環衛車技術應用中的關鍵研究領域，也是智能掃路車對專用風機高效節能設計，專用風機與掃路車氣力系統的精準匹配設計的急迫需求。

1掃路車專用風機介紹

現有某型智能掃路車清掃效果欠佳、吸力不足，該型掃路車專用風機為前向型離心風機，葉片共16片，如圖1所示。風機優化前葉輪流道長、葉片彎曲曲率大，流道流動復雜，針對以上問題，對原始結構進行優化設計分析，短葉片與長葉片組合的結構，不僅減弱甚至消除不利流動，還減小了流動損失和噪聲，大大的提高了掃路車的氣動性能[4-5]。因此，本文優化后的離心風機采用16片長葉片+16片短葉片組合葉片型式，如圖2所示。

2專用風機內流場仿真分析

2.1計算模型建立

對專用風機進行數值建模，該風機的結構主要包括進口延伸段，出口延伸段，葉輪和蝸殼，如圖1所示，優化設計的風機結構如圖2所示，兩者的區別主要在于葉片結構型式。

2.2網格劃分

風機葉輪流道內部為強旋流，為更好地捕捉流場特征，采用多區域網格劃分，即將整個計算域分為進口延長段區域、葉輪區域、間隙區域、蝸殼區域及出口延長段區域。由于風機葉片厚度一般只有幾毫米，葉輪流道內的流動異常復雜，因此對葉片表面和蝸舌壁面區域采用邊界層網格處理并進行加密控制，如圖3所示，為避免網格數量對數值計算結果的影響，進行數值分析時對網格進行無關性驗證，在驗證可行的基礎上進行數值分析。通過網格無關性驗證后風機計算模型的網格總數量為4487908。

2.3控制方程

專用風機內部的流動屬于三維粘性不可壓縮流動，遵循物理守恒定律，其中控制方程包含質量守恒方程、動量守恒控制方程、湍流輸運方程[6]。質量守恒方程：考慮到風機內部流動為強曲率、強旋流動，RNGk-ε湍流模型在對湍流粘性進行修正考慮了旋轉及曲率效應流動的特性[7]，能更好的處理旋轉流體問題，因此，本文采用RNGk-ε湍流模型進行數值計算。

2.4邊界條件與初始條件設定

數值計算時采用“多重坐標系”（MRF）模型處理動靜部分區域，設定葉輪區域為旋轉區域，選擇旋轉坐標系，設定其他區域為靜止區域，選擇靜止坐標系。設定所有的葉片表面、前盤、后盤為旋轉壁面邊界條件，蝸殼內壁面為靜止壁面邊界條件，旋轉壁面和靜止壁面均滿足無滑移邊界條件。風機進口給定壓力進口邊界條件，為1個標準大氣壓；出口給定壓力出口邊界條件，為1個標準大氣壓。給定風機額定轉速2600rpm，進、出口湍流邊界給定水力直徑和湍流強度I，湍流強度計算公式為[8]：其中：ReH為根據水力直徑計算得到的雷諾數。

2.5離散格式及算法

離散方法選擇有限體積法，壓力—速度耦合關系選擇SIMPLE算法[9]；湍動能、耗散率、動量方程的離散選擇的是二階迎風格式[10]，收斂標準設為各項殘差小于1×10-4。

3結果及其分析

通過數值計算，獲取了智能掃路車專用風機原始模型和優化模型在額定工況下的壓力場、速度場等信息。如圖4所示為葉輪內部壓力分布及流線圖。由于氣流在進口受到預旋轉的影響，使得進口氣流存在一定的攻角，導致葉片進口附近的吸力面產生了分離流動，分離流動加劇了葉輪流道流場的惡化，從而致使原始風機在葉輪進口區域速度分布不均勻，在葉輪流道區域出現強旋渦、回流等現象。由于優化后的葉輪增加了短葉片—分離葉片，明顯減弱了氣流在吸力面產生的分離流動，因此優化后的葉輪流線分布均勻，產生了較小、較少的旋渦和回流。如圖5所示為風機中截面的速度云圖，圖中可以看出，原始風機出口段靠近渦舌處存在明顯的低速回流區，使得風機出口流動不暢，造成能耗增加。優化后的風機出口流場分布均勻，在渦舌區也沒有產生回流，無明顯低速區，流動更順暢。如圖6所示為風機中截面總壓分布云圖，總壓在葉輪進口處較小，在靠近蝸舌側存在明顯低壓區，通過旋轉葉輪對氣體做功，使得葉輪流道總壓增大，在葉片末端壓力面附近區域達到最大值。優化風機在葉輪流道和蝸殼內總壓分布更均勻，出風口處壓力分布也更均勻，使得氣流在出口處流通順暢，減小流動損失。如圖7所示為風機中截面靜壓分布云圖，靜壓由于旋轉葉輪對氣體做功，從葉輪入口到蝸殼逐漸增大，且呈非對稱分布，由于蝸殼擴壓的作用，在遠離蝸舌側蝸殼靜壓達到最大，優化風機在出口處分布均勻，使氣流能順暢流出，減小流動損失。

4試驗對比分析

通過優化設計，對原始風機和優化風機進行試驗驗證分析，從表1中可看出，優化風機相對原始風機，流量提升了19.79%，全壓升提升了20.4%，效率提升了9.72%；表明了通過數值分析進行風機優化設計的可行性和合理性，極大縮短了風機的研發周期。

5結論

本文針對某型智能掃路車清掃效果欠佳、吸力不足等問題，采用RNGk-ε模型和多重坐標系MRF法，對其核心部件——專用風機進行數值仿真分析，獲取了風機內流特性及影響風機性能的關鍵因素，對風機進行優化設計，并試驗驗證分析，試驗結果驗證了優化風機的可行性和合理性，主要有以下結論。（1）優化風機葉輪內部流線分布均勻，流道無明顯強螺旋流動，改善了風機葉輪流道流動特性。（2）優化風機蝸殼出口處流場分布均勻且沒有產生回流，無明顯低速區；氣流流動更順暢，減小流動損失。（3）通過實驗分析可知，優化后的風機流量和全壓升得到了大的改善，風機流量提升19.79%，全壓升提升了20.4%。

參考文獻

[1]李珍.新能源環衛車技術發展趨勢[J].建設機械技術與管理,2016,29（01）:57-59+61.

[2]李亮,張斌,滕新科等.掃路車專用風機氣動噪聲數值仿真研究[J].噪聲與振動控制,2017,37（03）:135-140.

[4]張斌,李亮,付玲，等.清掃車專用風機內流仿真分析與優化設計[J].機械設計與制造,2014（09）:246-268.

[5]邵霖,舒珺,程家勝,等.貫流風機不同湍流模型數值模擬時的應用效果分析[J].流體機械,2020,48（04）:46-51.

[6]張斌,滕新科,李亮,等.掃路機專用風機內部氣固兩相流場仿真分析[J].機電工程,2018,35（03）:246-250.

[7]舒朝輝,段亞雄,童澤昊,等.采用不同湍流模型計算貫流風機內流場的比較分析[J].流體機械,2018,46（02）:19-23.

[9]李亮,張斌,付玲,等.掃路車用風機內部渦流特性與壓力脈動分析[J].中國工程機械學報,2015,13（06）:486-491+531.

[10]劉燈,李晶,凌祥.MVR高壓離心風機性能分析與優化[J].風機技術,2017,59（06）:32-36+86.

作者：張斌 李亮 萬軍 張惠兵 單位：長沙中聯重科環境產業有限公司