智能扫路车风机内流特性及优化设计

摘要：针对某型智能扫路车专用风机吸力不足的问题，以扫路车核心部件-专用风机为研究对象，采用RNGk-ε模型对其内流场进行数值仿真分析，分析专用风机在额定工况下的内流特性，辨识风机优化提升关键点。结果表明：优化风机相对原始风机叶轮内部流场均匀，叶轮流道内旋涡明显减小，风机流量提升了19.79%，全压升提升了20.4%，满足该型智能扫路车的吸力需求，对同类型扫路车的清扫性能提升提供了必要的参考依据。

关键词：智能扫路车；专用离心风机；涡流；叶轮

引言

随着我国城市化进程的发展，环卫车逐渐向智能化方向发展。智能扫路车作为新一代路面作业清洁工具之一，各地环卫部门对其需求量逐渐增加，应用范围越来越广泛[1]。扫路车专用风机是智能扫路车气力系统的核心零部件、动力源，专用风机的气动特性直接影响着扫路车的整体性能[2-3]。因此，扫路车专用风机的气动特性研究，不仅是智能环卫车技术应用中的关键研究领域，也是智能扫路车对专用风机高效节能设计，专用风机与扫路车气力系统的精准匹配设计的急迫需求。

1扫路车专用风机介绍

现有某型智能扫路车清扫效果欠佳、吸力不足，该型扫路车专用风机为前向型离心风机，叶片共16片，如图1所示。风机优化前叶轮流道长、叶片弯曲曲率大，流道流动复杂，针对以上问题，对原始结构进行优化设计分析，短叶片与长叶片组合的结构，不仅减弱甚至消除不利流动，还减小了流动损失和噪声，大大的提高了扫路车的气动性能[4-5]。因此，本文优化后的离心风机采用16片长叶片+16片短叶片组合叶片型式，如图2所示。

2专用风机内流场仿真分析

2.1计算模型建立

对专用风机进行数值建模，该风机的结构主要包括进口延伸段，出口延伸段，叶轮和蜗壳，如图1所示，优化设计的风机结构如图2所示，两者的区别主要在于叶片结构型式。

2.2网格划分

风机叶轮流道内部为强旋流，为更好地捕捉流场特征，采用多区域网格划分，即将整个计算域分为进口延长段区域、叶轮区域、间隙区域、蜗壳区域及出口延长段区域。由于风机叶片厚度一般只有几毫米，叶轮流道内的流动异常复杂，因此对叶片表面和蜗舌壁面区域采用边界层网格处理并进行加密控制，如图3所示，为避免网格数量对数值计算结果的影响，进行数值分析时对网格进行无关性验证，在验证可行的基础上进行数值分析。通过网格无关性验证后风机计算模型的网格总数量为4487908。

2.3控制方程

专用风机内部的流动属于三维粘性不可压缩流动，遵循物理守恒定律，其中控制方程包含质量守恒方程、动量守恒控制方程、湍流输运方程[6]。质量守恒方程：考虑到风机内部流动为强曲率、强旋流动，RNGk-ε湍流模型在对湍流粘性进行修正考虑了旋转及曲率效应流动的特性[7]，能更好的处理旋转流体问题，因此，本文采用RNGk-ε湍流模型进行数值计算。

2.4边界条件与初始条件设定

数值计算时采用“多重坐标系”（MRF）模型处理动静部分区域，设定叶轮区域为旋转区域，选择旋转坐标系，设定其他区域为静止区域，选择静止坐标系。设定所有的叶片表面、前盘、后盘为旋转壁面边界条件，蜗壳内壁面为静止壁面边界条件，旋转壁面和静止壁面均满足无滑移边界条件。风机进口给定压力进口边界条件，为1个标准大气压；出口给定压力出口边界条件，为1个标准大气压。给定风机额定转速2600rpm，进、出口湍流边界给定水力直径和湍流强度I，湍流强度计算公式为[8]：其中：ReH为根据水力直径计算得到的雷诺数。

2.5离散格式及算法

离散方法选择有限体积法，压力—速度耦合关系选择SIMPLE算法[9]；湍动能、耗散率、动量方程的离散选择的是二阶迎风格式[10]，收敛标准设为各项残差小于1×10-4。

3结果及其分析

通过数值计算，获取了智能扫路车专用风机原始模型和优化模型在额定工况下的压力场、速度场等信息。如图4所示为叶轮内部压力分布及流线图。由于气流在进口受到预旋转的影响，使得进口气流存在一定的攻角，导致叶片进口附近的吸力面产生了分离流动，分离流动加剧了叶轮流道流场的恶化，从而致使原始风机在叶轮进口区域速度分布不均匀，在叶轮流道区域出现强旋涡、回流等现象。由于优化后的叶轮增加了短叶片—分离叶片，明显减弱了气流在吸力面产生的分离流动，因此优化后的叶轮流线分布均匀，产生了较小、较少的旋涡和回流。如图5所示为风机中截面的速度云图，图中可以看出，原始风机出口段靠近涡舌处存在明显的低速回流区，使得风机出口流动不畅，造成能耗增加。优化后的风机出口流场分布均匀，在涡舌区也没有产生回流，无明显低速区，流动更顺畅。如图6所示为风机中截面总压分布云图，总压在叶轮进口处较小，在靠近蜗舌侧存在明显低压区，通过旋转叶轮对气体做功，使得叶轮流道总压增大，在叶片末端压力面附近区域达到最大值。优化风机在叶轮流道和蜗壳内总压分布更均匀，出风口处压力分布也更均匀，使得气流在出口处流通顺畅，减小流动损失。如图7所示为风机中截面静压分布云图，静压由于旋转叶轮对气体做功，从叶轮入口到蜗壳逐渐增大，且呈非对称分布，由于蜗壳扩压的作用，在远离蜗舌侧蜗壳静压达到最大，优化风机在出口处分布均匀，使气流能顺畅流出，减小流动损失。

4试验对比分析

通过优化设计，对原始风机和优化风机进行试验验证分析，从表1中可看出，优化风机相对原始风机，流量提升了19.79%，全压升提升了20.4%，效率提升了9.72%；表明了通过数值分析进行风机优化设计的可行性和合理性，极大缩短了风机的研发周期。

5结论

本文针对某型智能扫路车清扫效果欠佳、吸力不足等问题，采用RNGk-ε模型和多重坐标系MRF法，对其核心部件——专用风机进行数值仿真分析，获取了风机内流特性及影响风机性能的关键因素，对风机进行优化设计，并试验验证分析，试验结果验证了优化风机的可行性和合理性，主要有以下结论。（1）优化风机叶轮内部流线分布均匀，流道无明显强螺旋流动，改善了风机叶轮流道流动特性。（2）优化风机蜗壳出口处流场分布均匀且没有产生回流，无明显低速区；气流流动更顺畅，减小流动损失。（3）通过实验分析可知，优化后的风机流量和全压升得到了大的改善，风机流量提升19.79%，全压升提升了20.4%。

参考文献

[1]李珍.新能源环卫车技术发展趋势[J].建设机械技术与管理,2016,29（01）:57-59+61.

[2]李亮,张斌,滕新科等.扫路车专用风机气动噪声数值仿真研究[J].噪声与振动控制,2017,37（03）:135-140.

[4]张斌,李亮,付玲，等.清扫车专用风机内流仿真分析与优化设计[J].机械设计与制造,2014（09）:246-268.

[5]邵霖,舒珺,程家胜,等.贯流风机不同湍流模型数值模拟时的应用效果分析[J].流体机械,2020,48（04）:46-51.

[6]张斌,滕新科,李亮,等.扫路机专用风机内部气固两相流场仿真分析[J].机电工程,2018,35（03）:246-250.

[7]舒朝辉,段亚雄,童泽昊,等.采用不同湍流模型计算贯流风机内流场的比较分析[J].流体机械,2018,46（02）:19-23.

[9]李亮,张斌,付玲,等.扫路车用风机内部涡流特性与压力脉动分析[J].中国工程机械学报,2015,13（06）:486-491+531.

[10]刘燈,李晶,凌祥.MVR高压离心风机性能分析与优化[J].风机技术,2017,59（06）:32-36+86.

作者：张斌 李亮 万军 张惠兵 单位：长沙环境产业有限公司