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2007年7月30日至8月2日在美国加利福尼亚州圣迭戈召开的的ASME /机械联合流体工程会议fedsm2007的第五程序。
代号：FEDSM2007-37014
一种家用除尘新型旋风除尘器的研制
机械工程研究实验室，日立，有限公司
832-2，堀口，茨城县，312-0034，日本
E-mail: shoji.hayashi.ob@hitachi.com
摘要
一种命名为“tatsumaki旋风”的家用吸尘的新型旋风除尘器诞生了。它有一个独特的水平布局称为倒旋风布局，除尘器有一个旋风筒与一个上升气流。它也有一个新的气流组织，称为三重吸气气流，除尘分离后的气流在旋风筒中。主要的吸气气流通过一个内筒排出的主口（即旋风筒的下游）。吸入气流在尘仓中严重压缩后用尽（分端口）。中心吸入气流从中心端口耗尽。
在这项研究中，我们使用笛卡尔网格系统模拟的灰尘收集器内的流场。该系统只使用长方体网格；除尘器的剖面为代表的台阶表面的立方网格。每一个网格的基础上，无论是吸尘器内部或外部的固体。
高性能计算机最近被用来帮助产生超精细的网格，以适应密切的尘埃收集器的光滑形状。笛卡尔网格系统的优点是能够快速生成的复杂形状的正方形网格，可以直接从计算机辅助数据转换。
我们模拟单吸模型，双吸和三吸模型的速度分布。单吸模式只有一个主端口的排气气流，双吸模型有一个主端口，和一个子端口，三吸模型有一个主端口，一个分端口，一个中心端口。在这项研究中，使用一个有限差分法的笛卡尔网格系统，以纠正非定常三维流动。仿真结束后，我们用每一个模型的计算方法对空气质量的压力损失和空气量的变化进行了试验。这些措施使我们能够发展一种称为tatsumaki旋风的新型旋风除尘器作为一个紧凑型家用吸尘器，有更少的真空下的压力损失和更大容量的尘仓清洁部分。
简介
真空吸尘器已成为日本流行的消费品。在市场竞争中，真空吸尘器（如图1所示的真空吸尘器）必须具有良好的吸吸能力、吸收能力和取样性能，并具有结构紧凑、重量轻等特性。
图1.吸尘器及其除尘器
我们要开发一个吸尘器，以减少压力损失，保持吸气力，提高除尘效率的一个更紧凑的除尘器。旋风式除尘器有一个位于旋风筒内的除尘仓。气流携带的粉尘是由气旋气流离心力的旋风筒分离，在灰库收集（见图2）。
图2.旋风除尘器的结构
这种类型的旋风除尘器失去了很多的压力，如表示，例如，在下面的方程（原田和中格[ 1 ]）。
这里zeta;c是压力损失系，△p压力损失。图3显示了在表1条件下的压力损失和压力损失系数。旋风除尘器的压力损失系数大于十。
表1.条件和尺寸计算（图3）
图3.压力损失和压力损失系数
另一个值得关注的是，灰尘仓和旋风筒的垂直配置会使旋风除尘器的旋风除尘器对家用吸尘器的吸尘器过高。此外，我们还想增加吸尘器的灰尘收集能力，减少家用吸尘器的体积。纤维粉尘，超过百分之五十的家庭灰尘的重量，形成一个海绵状的肿块内的灰尘后，它被收集。这意味着灰尘仓充满了大量的纤维尘埃，需要一个较大的尘埃仓，以确保最佳性能。收集灰尘内的纤维的灰尘团块和细尘粒的段可以很容易地被气流带入旋风筒。这种类型的灰尘，降低了除尘的效率。
为了解决这些问题，我们开发了一个独特的水平布局，称为倒旋风布局，其中一个灰尘仓被放置在靠近一个旋风筒与一个上升气流。布局使车身更清洁，更紧凑，同时保持一个足够长的气流在旋风筒内。
我们还开发了一种新的气流组织，称为三吸气气流（见图4），其中气流被分离成三个气流在旋风筒中被去除。主吸入气流从主口排出，通过内筒排出旋风筒的下游。子的吸入气流严重压缩后的灰尘尘仓枯竭（子端口）。中心吸入气流从中心端口耗尽。这样的安排可以防止灰尘重新夹带。要优化的气流，它是必不可少的，以获得详细的流场结构中的除尘器。我们使用了计算流体动力学模拟调查的除尘器内的流场，并优化吸流量安排。我们也使用笛卡尔网格系统模拟的流场内的除尘器和非定常三维流动的有限差分法。
图4.旋风除尘器的结构
该流体分析系统应用于计算在磁盘驱动器的流量特性，液晶显示投影机、蜗壳式混流泵，在电梯（小林等人。2004 [ 2 ]）。这些计算与实验测得的特性一致。此外，对模拟结果进行验证的粒子图像测速技术（PIV）和压力分布测量光盘驱动器（内部isoshima等人。2006 [ 3 ]）。根据这些研究的结果，我们估计，计算流体力学模拟结果是足够准确，使流场进行定量评估。
在这项研究中，我们模拟单吸，双吸，三重吸入模型；单吸模型只有一个主端口的排气气流，双吸模型有一个主端口和一个子端口，和三重吸入模型有一个主端口，一个子端口，和一个中心端口。我们尝试用压力损失和测量空气质量的变化引起的每一个模型的灰尘负荷。
计算流体力学
高性能、低成本、快速生产在制造业中的关键性正变得越来越重要。数字工程的有效使用（例如，计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE））在这种气候是很重要的。最传统的CFD方法利用边界贴体坐标（BFC）结构化网格方法如图5所示（一）。然而，这种方法一般需要一个较长的时间来生成网格，适合复杂形状的技术运营商。
图5.网格系统
使用的非结构化网格方法的另一种方法如图5（b）。这种方法自动生成网格的相对简单的几何形状。然而，到目前为止，它一直不容易产生高质量的稳定网格复杂的几何形状。然而，一些CFD分析复杂的几何形状（汽车（Ono等人，2000 [ 4 ]）和飞机（aftosmis和伯杰，2002 [ 5 ]，和nakahashi和基姆，2004 [ 6 ]））图5采用笛卡尔网格系统（C）的报道。在这里，笛卡尔网格系统只使用方网格，形状的配置文件所表示的方形网格的步骤，和网格产生的，不论身体元素是内部或外部的网格。
高性能计算机现在已经用来帮助产生超精细的网格，使用笛卡尔网格系统表达平滑的形状。笛卡尔网格系统的优点是能够快速生成复杂的几何形状的正方形网格，很容易产生计算机辅助设计的网格数据。因此，网格生成是快速和自动的，即使对于复杂的几何形状。
在这项研究中使用的有限差分法的非定常三维流动属于笛卡尔网格系统。
笛卡尔网格系统模型
三维不可压缩流分析的控制方程，使用求和对流的形式给出如下。
在这里，U和P是指在电网的规模中的速度、压力,rho;和nu;是密度和运动粘度
U并且表示时间的导数。
交错网格，其压力被定义在细胞中心，速度分量被定义在细胞边缘。一个准确的二阶迎风格式用于对流项，还有中心差分法离散空间条件等。一个欧拉显式方案，用于时间推进法。高度简化的标记和细胞（HSMAC）方法（Hirt和厨师，1972 [ 7 ]）也被使用。采用大涡模拟方法模拟湍流流动。标准的Smagorinsky模型（Smagorinsky，1963 [ 8 ]）是采用smagorisky常数，CS=0.15。在这里，nu;是SGS亚格子尺度（SGS）湍流粘度的符号，∆是SGS湍流长度尺度的符号。
笛卡尔网格系统模型
图6显示的是（a）真空吸尘器的除尘器的生产模式，（b）一个除尘器的计算机辅助设计模型，和（c）使用的是计算流体力学的笛卡尔网格系统的模型.固体零件已显示。添加到模型中的入口和出口管道表示模拟的边界条件。
图6.旋风除尘器的生产，计算机辅助设计及计算流体力学模型
图6
笛卡尔网格系统的网格是1毫米的立方体，在times;，和方向。共有约4000000个网格。集尘器的配置文件被表示为方形网格的台阶面。从图中可以看出，除尘器的形状是相当详细和复杂，使得它难以产生基于传统的结构化和非结构化网格的方法。另一方面，采用笛卡尔网格系统在一个个人计算机3.8-GHz至强处理器，只花了四分钟来产生读CAD模型数据网格。
过滤器放置在下游的主端口，分端口，和中心端口（见图4），在这个模拟中被视为一个拖动元件，如下方程式所表示。
这里c是正电阻系数，n为负电阻指数。电阻系数设置为17600帕/（米/秒）。电阻指数被设置为1.05。
计算流体力学仿真结果
图7.集尘器中的速度矢量分布
图8.旋风切向速度分布
图9.喉正常速度分布
图7，8，9显示的计算流体力学仿真结果（a）三吸，（b）双吸和（c）单吸。图7（a），（b），（c）表示出的速度三种模型在沙尘剖面中的矢量分布。图7所示的收集器（d）。图8（a），（b），（c）说明三种模型的切向速度分布.图8所示的是气旋的一段。图9（a），（b）,（c）说明喉的正常速度分布。图9（a），（b）（c）说明喉的正常速度分布。图9（d）是一个初步的结果。在入口速度V=15.7米/秒。
在旋风筒中，旋转的方向是顺时针方向流动发生如图7所示。正速度意味着流向方向是x轴正方向，并且负速度意味着一个流动，为X轴负向。
从外筒的气流的尘仓看，通过喉咙的三吸和双吸模型。一个方向上的空气流动外筒，沿着墙壁上的灰尘，然后是从灰尘的燃料库到过滤器。在气流单吸模型的尘仓，对比度比那些在三吸灰尘的碉堡双吸模型。比较正常速度分布在喉咙处，如图9所示，我们观察到了正常的速度在双吸模型的喉咙是最快的三种模式。秒最快的是三重吸模型，自三重吸入模型用尽空气你所中心港，图7（a），初始气流在三吸模型港口中耗尽和在双吸式模型中耗尽。三吸模型的重新布局，防止了拖带灰尘。
比较这些图中的漩涡流动，我们观察到内部的速度旋转方向与外部在所有三个模型中有类似的倾向。在右边图9（a），（b），和（c）中，红色代表一个更快的顺时针旋转。左边的图中，蓝色表示一个更快的顺时针流。最快的旋涡流动在三重，双和单吸的外缸里模型分别为1.5，1.6和2倍，分别为在各自的入口的初始速度。漩涡在外筒内的流动被用来分离灰尘。
特别是，在单吸模型的情况下，内筒内的旋涡流动最快。这些流动速度比2.5倍的双吸和三吸模型更快一些。内部的漩涡流动缸不用于分离的灰尘，增加了压力损失。
图7显示了从外筒的气流的尘仓看，通过喉咙的三吸和双吸模型。一个方向上的空气流动外筒，沿着墙壁上的灰尘，然后是从灰尘的燃料库到过滤器。在气流单吸模型的尘仓，对比度比那些在三吸灰尘的碉堡双吸模型。比较正常速度分布在喉咙处，如图9所示，我们观察到了正常的速度在双吸模型的喉咙是最快的三种模式。秒最快的是三重吸模型，自三重吸入模型用尽空气你所中心港，图7（a），初始气流在三吸模型港口中耗尽和在双吸式模型中耗尽。三吸模型的重新布局，防止了拖带灰尘。
在单吸模型，有一个区域的反向流从灰尘仓到外筒（旋风筒），以及从外筒的尘仓气流。如果纤维的灰尘形成一个海绵状的块状内的灰尘，它被收集后，它可以很容易地被重新夹带到旋风筒反向流动。这种类型的灰尘降低了灰尘吸收的效率。
三吸模型和双吸模式比单吸模型有较低压力损失，防止光纤再—被卷入单吸模型中。
图10.压力损失测量系统
实验数据
在每个模型中，我们尝试了压力损失的计算。旋风除尘器设置在风管的末端。方便于气流产生的气流的数量和压力损失鼓风机的测量。结果如图1
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