摘要：针对某小型扫路机箱体内网孔板易堵塞的问题，基于Fluent采用了应用计算流体力学（CFD）方法对该扫路机箱体内流场进行了仿真，采用Realizable k-ε湍流模型和多重坐标系（MRF）进行求解，对风机进气网孔板的网孔数量、风机进气室高度对系统性能的影响进行了分析。仿真结果表明，该型扫路机箱体内网孔板易堵塞的原因为风机进气室空间高度过小，导致网孔处流速过高，垃圾易吸附于网孔板上，从而影响风机进气的通畅性，进而降低了整个系统的性能，单纯靠增加风机进气网孔板的网孔数量并不能大幅提升扫路机的气力系统作业性能。通过计算优化了风机进气室空间距离等关键参数后，风机功率提升6.94%，风机流量提升6.27%，吸嘴负压提升10.15%，整个气力系统的性能得到了显著提升。
关键词：扫路机,计算流体力学（CFD）,流场性能,风机,优化
0引言
随着环保意识的提高和人工成本的增加，大多数城市已经开始使用大型清扫车代替人工进行主干道路的清扫工作。这种大型清扫车能够有效清理大面积道路上的垃圾。然而，在商业广场、居民社区、火车站广场等人流密集的路面上，还会产生大量垃圾，传统的大型扫路车无法进入这些区域进行清扫工作。即便大型扫路车能够进入这些区域，也很难实现掉头或给交通带来许多不方便。为解决这个问题，小型扫路机应运而生。小型扫路机相比大型扫路机更灵活，可以更轻松地到达狭窄和难以进入的区域，例如家庭、办公室、商店和餐厅等小型场所；小型扫路机通常具备简单易用的控制面板或遥控器，操作方便，无论是专业清洁人员还是一般用户，都能迅速上手使用；相比大型扫路机，小型扫路机通常产生较少的噪声，对周围环境和用户造成的干扰较小。小型扫路机具有灵活性高、操作简便、节省空间、操作静音以及节省人力和时间等优点，这使得它们成为小型场所清洁的理想选择，因此在市场上的占有率不断增加[1-2]。
然而，较为紧凑的结构布局使小型扫路机箱容积非常有限，相对于大型扫路车，垃圾箱容积过小导致垃圾沉降更加困难。因此，小型扫路机的气力系统必须经过精细化设计，以确保气流通畅压损低、风机流量大、吸嘴吸拾效率高[3-4]。由于国内小型扫路机市场起步较晚，在扫路机气力输送系统的研究方面仍相对不足，许多国内厂家在设计上更多地模仿国外产品，却没有完全掌握气力系统设计的关键参数，这导致国内小型扫路机在结构上与国外产品相似，但性能存在较大差距，特别是在气力输送系统方面，国外的扫路机可以连续工作很长时间而不会出现堵塞问题，而国内的扫路机则需要定期停机清理堵塞垃圾。扫路机箱体内的网孔板易堵塞问题不仅影响了扫路机的正常工作效率，增加了人力物力成本，而且大大降低了客户的使用体验。
为解决这个问题，需要加强对小型扫路机气力输送系统的研究。李海强[5]以某型号扫路机为例，探索了气力输送系统整机建模与仿真分析方法以及性能评价方法，并设计了气力系统实验方案和进行了相关实验验证，并且在建立的扫路机气力输送系统仿真设计方法基础上，开展了自制扫路机气力输送系统关键部件设计和系统匹配设计工作；肖强[6]利用气一固耦合分析对砂粒沉降、分离效率进行仿真计算，对垃圾沉降箱的结构参数进行了优化，提高了沉降效率，并且通过实验测试进行验证，以实现最佳气路结构和作业效果。本文对故障频发的某型洗扫机进行了计算流体力学（CFD）仿真分析，通过对影响箱体内网孔板堵塞的关键参数进行优化设计，提高气流通畅性，降低了气流的流通阻力，增加吸嘴内负压，使得风机吸入的流量大大增加，提高风机作业功率，风机做工效率大幅提升，这样可以改善小型扫路机的气力系统性能，使其在道路清扫工作中更加高效和可靠，不断提升产品性能，以满足市场需求和提高产品的市场竞争力。
1数值计算方法
1.1几何模型及网格
本文研究的某型扫路机结构布置如图1~2所示，离心风机是扫路车清扫系统中的核心部件之一，它通过旋转扇叶产生高速旋转的气流，从而产生强劲的负压，可以吸引地面上的灰尘、树叶、纸屑和其他杂物，将它们引入扫路车的吸尘系统，当空气流中的垃圾进入箱体内部时，由于空间的急剧扩大，气流速度降低，在重力的作用下较重的颗粒沉降在箱体底部，在清扫过程中，空气中可能仍然带有一些细小的颗粒和粉尘，为了防止这些颗粒进入环境并保持清洁，小型扫路机的风机进气口安装有网孔板，用来阻止垃圾被吸入风机，从而再次被排放到大气中。
在划分网格时，考虑到风机、网孔板的复杂性以及网格生成质量要求，使用了非结构网格进行离散，风机及网孔板的网格进行加密处理，如图3所示。在高性能服务器（EPYC7702、64核心）平台上进行计算，网格无关性计算结果如表1所示。由该结果可知，当网格总数超过780万格后，继续增加网格对计算结果的影响可忽略不计。因此，中等网格数量可以在保证获得正确结果的基础上使用最少的计算资源，后续计算均以此网格数量为标准。
1.2控制方程
通过参考文献及经验来看，吸嘴及箱体内气流最大不超过60 m/s，马赫数小于0.3，可以作为不可压气体处理，遵循的基本物理规律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[7-9]。
1.3边界条件及求解算法
吸嘴离地8 mm为静止地面，采用壁面边界条件；吸嘴周围流体域进行延伸，气流从该域四周与顶部表明进入吸嘴，采用压力入口边界条件，相对大气压为0 Pa；车体其他部位均为壁面边界条件；箱体出口采用压力出口，相对大气压为0 Pa；风机流体域采用多重坐标系（MRF）进行计算[10-11]，风机转速2 400 r/mi。
采用有限体积法进行方程离散，湍流模型为Realiz⁃able k-ɛ模型，压力—速度耦合关系采用SIMPLEC算法，动量方程、湍动能、耗散率离散采用一阶迎风格式[12-13]。
2仿真求解及分析
为了分析箱体内垃圾不易沉淀导致管道易堵的根本原因，首先需要对原始结构进行仿真计算，分析原因所在，然后提出改进方案，并对改进后方案进行验证。
2.1原始结构内流场分析
尘粒起动速度，指尘粒开始滚动并即将离开地面所需的最低速度，当风速大于此速度后，尘粒会离开地面并被吸入吸管内。由相关文献可知[14-15]，风速大于28 m/s，即可将粒径30 mm的砂石颗粒吹起。根据图4所示，吸管内的流速约为30 m/s，连接吸嘴的部位的风速约为40 m/s。因此，在垃圾箱内的网孔板没有堵塞的情况下，这款洗扫机具有良好的清扫效果。然而，通过对风机进气室入口的速度流场进行分析，如图5所示，可以发现风机入口处A的流速明显偏高，超过了10 m/s。这样的风速足以将树叶、塑料袋等垃圾吸附在A处的网孔板上。但是，A和B处均为网孔板，当A处的网孔板被堵塞后，风机能否从B处的网孔吸入气流，是否不影响风机的正常工作呢。基于此问题，对A处网孔被堵塞后扫路机气力系统的性能进行了仿真计算。
在仿真计算中，模拟A处局部范围被堵后的工况，其结果如图6所示。由图可知，当A处局部被堵后，被堵区域的四周成为新的高速区，B区域气流速度仍然较低，意味着A处局部被堵后，被堵的四周会形成新的被堵点，树叶等轻飘垃圾继续堵在四周，直至A区域大范围被堵。如表2所示，当A区域局部被堵后，风机功率下降了7.7%，风机流量下降了6%，吸嘴负压下降了10.2%，整个洗扫机的系统性能均呈下降趋势，可以预见，当工作继续进行，A区域的垃圾会越来越多，洗扫机的工作性能将进一步恶化，直到无法完成清扫作业。
2.2增加网孔数量对性能影响分析
通过上述分析可知，洗扫机性能下降的根本原因是A处被堵后气流不通畅，导致风机做功能力下降，吸嘴负压下降，吸拾垃圾的能力降低。为了增加空气流通性能，将A处下方板材更换成网孔板，使网孔数量增加，增加流通性能，对此方案做了仿真分析，如图7~8所示。
从图8中可以观察到，尽管在风机入口附近增加了网孔数量，但A处的速度仍然保持较高水平，超过了10 m/s，并且其范围没有明显变化。这表明纯粹增加其他区域的网孔数量不能改变风机入口对A处的吸力影响。此外，当在A处附近增加了网孔数量后，B处网孔处的速度进一步降低，但B处的网孔通气能力并没有增强，这与在B处设立网孔的初衷相悖。
2.3增加风机进气室距离对性能影响分析
为了降低A处气流速度，必须降低风机对此处的吸力所形成的负压大小，因此考虑增加风机离网孔板的距离，如图9所示，对此方案做了仿真分析。对比图7，图9中风机进气室入口增加了30 mm。
从图10可以观察到，当风机与网孔板的距离增加了30 mm后，A区域中高速气流的集中区域已经扩散开来，其面积明显减小。此外，该区域的形状会随气流的湍流脉动而不断变动，即之前处于高速区的位置在下一时刻可能变为低速区。这意味着被吸附在高速区域的树叶将会随着气流的游动而掉落。可以预见，随着风机与网孔板的距离进一步增加，风机对网孔的吸力影响会进一步减弱，A区域中高速气流的范围也会进一步缩小。当风机离网孔板距离增加后，正对风机入口的网孔板被堵塞后，风机性能会如何变化，针对次问题，在仿真计算中，将A处局部范围内的网孔删除，模拟此处被堵后的工况。从图11可知，当A区域被堵后，B区域左右两处的流速均增加至约6 m/s，实现了此处开孔的初衷，即
分担A区域被堵后风机的进气量。由表3可知，当风机离网孔板距离增加30 mm后，即使A区域被树叶等轻飘物堵住，风机功率只降低了1.3%，风机流量仅降低0.13%，吸嘴内负压仅降低1%，对比表2和表3可知，结构优化后，风机功率提升6.94%，风机流量提升6.27%，吸嘴负压提升10.15%，整个气流系统性能得到了保证，其根本原因在于风机可以从B区域吸入大量空气，以弥补A区域被堵住的影响。
3结束语
采用计算流体力学（CFD）方法对扫路机箱体内的流场进行了仿真。通过分析，明确了该扫路机箱体内网孔板易堵塞的原因，并进行了仿真计算，以评估增加网孔数量和增加风机与网孔板之间距离对气力系统的影响。
同时，验证了增加风机与网孔板之间距离后的抗堵性能，得出结论如下。
（1）获得了造成扫路机易堵塞的关键因素。其中，风机进气室与网孔板之间的距离过小是导致网孔板局部流速过高、轻飘垃圾易被吸附的主要原因。
（2）增加网孔数量不能减弱风机对网孔板局部造成的过大吸力，而增加风机离网孔板距离可以降低高速集中气流的范围，即使部分网孔被堵，风机功率只降低了1.3%，风机流量仅降低0.13%，吸嘴内负压仅降低1%。
（3）结构优化后，风机功率提升6.94%，风机流量提升6.27%，吸嘴负压提升10.15%，整个气力系统的性能得到了显著提升。
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