基于FlowSimulation的家庭清扫机器人吸尘装置流场分析

欧阳华兵 张伯浩 / 上海电机学院机械学院

基于FlowSimulation的家庭清扫机器人吸尘装置流场分析

欧阳华兵 张伯浩 / 上海电机学院机械学院

本文利用FlowSimulation软件对家庭清扫机器人吸尘装置性能进行了数值模拟研究。研究结果表明，采用数值模拟技术不仅可为吸尘装置设计提供理论依据，还可最大限度地降低产品开发成本、缩短设计周期。

清扫机器人；吸尘装置；流场分析

一、概述

随着生活质量的不断提高，人民对简化生活并能节省劳动力的家庭清扫装置需求越来越旺盛[1]。家庭清扫机器人吸尘装置的性能直接影响到其工作效率。故对吸尘装置进行研究就显得尤为重要，它不仅可改进并提高吸尘效率，还可进一步为吸尘装置结构的改进和优化提供相应的理论指导。

由于清扫机器人内部空间结构复杂且流体力学的分析过程复杂，为了模拟清扫机器人内部的风道并获取吸尘口风压风速等重要信息，本文借助FlowSimulation软件，对家庭清扫机器人吸尘装置的流场进行分析。

二、吸尘装置的前处理与求解

为了保证吸尘装置求解的有效性，必须先进行前处理操作[2-4]，具体求解步骤如下：

1.模型与材料的设置。由于本文研究的流体流动属于湍流，研究对象为灰尘与空气的混合物，故设置为k-ξ湍流模型，材料选择空气。

2.边界条件设置

（1）吸尘口边界条件

吸尘装置在工作时，吸尘口的压力、流量和速度等都是未知。在物理模型的构建时将吸尘口向外部空间延伸，可假设远离吸尘口的区域不受影响。故将吸尘口风道入口初始约束条件为环境压力即一个标准大气压。

（2）出风口边界条件

吸尘装置的出口和离心风机相连，如果假设出口压力，须先预知风机所需风压。根据预选离心风机的额定风量62.49CFM，即，即为吸尘器出口风立的体积流量值。

3.目标区域选择与目标量设置。模型分析过程中，仿真程序通过对目标值的逼近，计算出流场。当目标值逼近预先设定值时，仿真分析结束。如目标区域或目标量设置不合理，可能会导致迭代次数增加，降低流场计算效率。本次仿真将目标区域选择吸尘口所在平面，设置目标值为流体的平均密度、平均风速和最大静压值。

4.网格划分。Flowsimulation求解时将计算区域划分为不重复的控制体积，使每个网格点周围有一个控制体积，即为“网格”，构建待解流体动力学微分方程并对每个控制体积积分，获得出一组离散方程。

为使模拟更接近实际，吸尘装置的网格划分要保证流经入口处表面附近的流体网格比流经其它流体网格更加细密。

5.算法与离散方法的确定。本文所研究的吸尘装置在工作时属于定常状态，故选择半隐式连接压力方程方法SIMPLE，离散方法选择有限体积法。

6.流场计算与分析。设置完成后，就可采用FlowSimulation软件对吸尘装置区域进行计算，等待计算收敛后查看分析结果，如图表1所示为仿真计算所得的目标量值，其中平均密度、平均速度、最大静压力分别为1.04Kg/m^3、153.745m/s和98304.08Pa。

三、吸尘装置的数值模拟结果与分析

1、吸尘装置内部风道的流体运动轨迹

为了反映空气从吸尘口进入集尘盒内部运动方式，分析出垃圾或粉尘在进入集尘盒时的轨迹是否合理，需计算吸尘装置内部风道流场，如图1为流体运动轨迹图，颜色由红到绿表示压力由大到小。

图1 流体运动轨迹

为了分析与建模计算方便，在离心风机与集尘盒间没有考虑过滤网带来的阻力。由于滤网所带来的阻力与风速有关。在未滤网时，吸尘口达到了9300Pa。若考虑滤网的阻力损耗，吸尘口的静压应该约为计算结果的一半。目前，市面上的产品的吸尘压力一般在800Pa到1000Pa内，而我们的吸尘压力却能高达3000Pa，但为了保证其强大的吸尘能力，也牺牲了集尘盒的容量、噪音和续航能力等。

2、吸尘装置内部风道的流体速度图

通过风道流体的速度图，可分析出空气在整个吸尘过程中的运动情况，如图2为流体运动风速图。

综上可知：吸尘装置的吸尘口面积小，其风速较高，吸尘口压力较大。随着集尘盒内部空间体积的增大，流体风速减少，致使集尘盒内部压力较小，垃圾进入集尘盒后速度下降沉积于集尘盒内部起到收集垃圾的作用。部分灰尘在集尘盒底部回流后再进入离心风机，这常会造成集尘盒内部细小灰尘运动形成涡流，避免灰尘逃出集尘盒而造成二次污染。

3、吸尘装置剖面的压力分布

通过FlowSimulation软件分析了吸尘装置的剖面压力分布，如图3所示。由图3可知，左侧吸尘口处的压力在整个吸尘系统中所占的压力最大，而右侧离心风机风口处虽然风速快而损失小，但由于空间较大而造成其压力较小，故风口处结构强度不需要太高就能满足需要。

图3 吸尘装置剖面静压力分布

4、吸尘装置工作过程及吸尘能力验证

以家庭中约为10mm左右颗粒为例，对吸尘装置将稍微大些的颗粒状垃圾吸入过程进行描述，如图5所示的颗粒运动轨迹。

图4 颗粒运动轨迹模拟

从图4可知，颗粒刚被吸入时由静止开始加速到相对较大的速度，对吸尘口具有较大的冲击力。当颗粒进入集尘盒内部时，伴随着风速的减小，颗粒速度也随之减小，颗粒在撞击到集尘盒的滑盖后消耗了大部分动能，依靠自身重力及惯性落入集尘盒的底部。故在设计吸尘口入口处及集尘盒滑盖时，应综合考虑其结构并选择合适的材料，避免发生冲击力过大而损坏的现象。

四、结论

为了保证流程分析结果更加有效可靠，其关键在于选择合适的湍流模型和划分高质量的计算网格。采用FlowSimulation软件对吸尘装置吸尘能力进行流场模拟方法是切实可行的，它不仅可缩短产品的设计周期，而且能为吸尘装置结构的改进和优化提供理论依据。

[1]杨春朝,章易程,欧阳智江等.基于流场模拟的真空清扫车吸尘口的参数设计[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(9):385-390.

[2]韩鲁冰,董继先.基于Solidworks-Flowsimulation软件的盘磨机磨盘建模与流场分析[J].中国造纸,2016,35(12):37-42.

[3]谢菲, 吴占松.文丘里管内气固两相流动的数值模拟和实验[J].动力工程学报,2007,27(2):237-24.

[4]苏乃权,蔡业彬,李石栋等.充液阀气液两相流的流场仿真分析[J].机床与液压,2017,45(8):78-81.

上海市教育委员会科研创新项目资助(14YZ158)；上海高校青年教师培养资助计划项目资助（ZZSDJ12008）；上海电机学院重点培育项目（12C110）；上海电机学院重点教研教改项目（A1-0224-17-009-04）;上海高校教师产学研践习计划(2013)；上海电机学院科研启动经费项目资助（13C415）;上海电机学院登峰学科建设项目（16DFXK01）.

欧阳华兵（1980-），男，上海电机学院机械学院，博士，副教授，主要研究方向：数字化设计与制造。