张庆男 樊兴菊

摘要：家用卧式吸尘器如今已成为家电市场中的重要品类。按照灰尘分离方式，其主要分为过滤式分离和旋风式分离两种类型。其中，旋风式吸尘器具有耗材成本低、寿命长，清理方便等优点，日益受到消费者喜爱。本研究通过对某型号吸尘器的旋风分离结构的仿真分析，对卧式吸尘器旋风分离的方式、规律进行了初步的探讨。发现在卧式吸尘器的旋风分离运动与工业离心分离器的分离运动存在区别，其中存在 “强气流作用分离”和“弱气流作用分离”两种模式。

Abstract： Canister vacuum cleaner had already been an important part of home appliance market. Based on the dust separation manners， it was divided into two types： filter and cyclone. The cyclone type is gaining popularity year by year due to its advantage of lower consumable cost， longer life time and easier cleaning up. This research did some investigation on an existing vacuum cleaner cyclone's separation manner and regularities. The finding was that defers from the industrial centrifugal separators， there are two modes of separation that can be called "high pneumatic impact separation" and "low pneumatic impact separation".

关键词：旋风分离;家用吸尘器;仿真分析;强气流作用分离;弱气流作用分离

Key words： cyclone separation;household vacuum cleaners;simulation analyzation;high pneumatic impact separation;low pneumatic impact separation

中图分类号：TM925.31                                    文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0195-02

1  研究背景

经过百余年的发展，家用吸尘器已经成为家电市场中不可或缺的重要品类，日益受到消费者青睐。其中，家用卧式旋风吸尘器因其使用方便，清理简单，耗材费用低甚至无耗费，已经成为目前市场中的主流机型。对于一款家用卧式旋风吸尘器而言，灰尘分离效率、噪音、灰尘拾取能力是最重要的三项性能指标。其中，灰尘分离效率直接影响到吸入吸尘器的灰尘在经过集尘桶后到达前置过滤器的灰尘量，从而决定了顾客在使用吸尘器时两次清洗前置过滤器的时间间隔，同时也是最终穿过吸尘器的灰尘量的先决条件。

但是，目前有关旋风吸尘器的分离效率的较为系统的研究十分缺乏。研究工作主要在厂商的开发部门中进行，因此碎片化十分严重。林正二，小高靖典[1]等在2003年的论文中讨论了一种比较简单的旋风分离结构，引入了“副吸引”流路，可惜的是“副吸引”流路的引入使电机前置过滤系统的堵塞速度大大加快。Young Chull Ahn[2]在论文中首先整理了前人研究中总结的室内粉尘的类型和粒径特征，指出室内粉尘的粒径分布呈现双峰特征，且基本上大于2μm。接下来通过对比实验对切向入口单出风口、切向入口双出风口、轴向进气三种旋风分离结构中灰尘分离的最小粒径与入口截面积、离心部直径和出气口直径的关系进行了研究，指出其中切向入口双出风口方案的压降（3430Pa）和界限粒径（1.5μm）在三者中最优。Gunho Ha[3]等在2011年利用DMT8号实验灰尘模拟及生活灰尘实测等方法对单旋风漏斗式出风口、单旋风旁路式灰尘出口、双旋风单灰尘出口3种旋风分离方案进行了比较。遗憾的是，该对比研究并未建立在对三种结构的集尘仓进行优化的前提下，使其结果的参考价值受到了影响。

2  卧式旋风吸尘器分离结构特点及输入条件

本研究在2018年10月到2019年3月这段时间里调研了国内市场总计31个品牌，122款家用卧式旋风吸尘器产品。

根据调研所得，本次研究选取的某型号吸尘器分离器体积为0.9L，为市场产品的常见体积;采用的吸尘器入口流速设置为30m/s。根据《IEC 60312 第3.2版 家用真空吸尘器性能测试方法》[4]，吸尘器性能测试的测试尘应包含矿物灰尘和木质粉末两种组分，多个颗粒尺寸等级。在部分研究（如李强[5]在2008年对工业用旋风除尘器优化设计的研究）中为了简化模型，对研究粒径依据其尺寸分布特点采取了求总体均值的处理方法，但与工业离心分离器相比，家用吸尘器的分离对象呈现出类型更为复杂（主要为各种材质和形态的生活垃圾），尺寸、重量、密度的跨度更大的特点，其分离效果和分离形式在不同粒径下存在极大差异，均值粒径无法有效反映出大粒径和小粒径下的实际分离表现。为进行精细化探讨，本研究参考IEC60312的实验要求，分别设置大理石和木屑的多粒度等级入射流组，如表1和表2所示。

3  仿真及分析

某品牌某型号的吸尘器集尘桶及其分离器内部空间如图2所示。

本次研究采用压力基求解器SIMPLEC算法，首先利用RSM模型对气流进行求解，再利用DPM模型求解各等级颗粒的运动状态。在仿真分析中发现：

粒径大于0.02mm的大理石粉末和粒径大于0.09mm的山毛榉粉末，其运动轨迹不再明显受到气流的影响，开始反映为更为尖锐的碰撞反射行为和更为笔直的运动轨迹（图3，图4）。此部分粉末，大理石部分占大理石总重量的20%，木屑部分占木屑总重量的50%。由此可以看出，在家用卧式吸尘器的旋风分离过程中，大理石粉末在大多数情况下的运动轨迹受气流影响较小，以粒径0.03mm为分界，大理石粉末的分离模式在气流作用水平上产生了明确的差异。而在山毛榉木屑中，大粒径颗粒和小粒径颗粒的分离行为也产生了明显的区别，分离过程存在显著的“双重性”特征。这一点与工业用离心分离器的分离模式有明显区别。

至此，为了更好地描述家用卧式吸尘器分离结构中颗粒旋风分离的形式，可以提出“强气流作用分离”与“弱气流作用分离”的概念。①“强气流作用分离”的颗粒，其运动轨迹在颗粒追踪中表现得更为圆滑，几乎看不到反射现象。颗粒的运动更多地被呈现被气流裹挾的状态，并在重力、离心力的共同作用下形成其运动轨迹。②“弱气流作用分离”的颗粒，其运动轨迹平直，可以看到明显的碰撞反射现象。颗粒因为自身质量较大的原因，分离器内的风速无法对其运动轨迹造成明显影响，因此其运动轨迹更多地被自身入射角度、碰撞反射、摩擦、重力等条件决定。

在对更多家用卧式吸尘器分离结构的仿真分析中发现，在同等尺度、同等输入条件下，其灰尘分离方式均以弱气流作用式分离为主，这正是由其气固二相流的速度、成分构成以及吸尘器分离器的尺寸决定的。对于某种密度的颗粒而言，其分离运动的特征会随着粒径从小到大从“强气流作用分离”转化为“弱气流作用分离”。

4  结论

由于分离过程的“双重性”特点，在工业旋风分离器考察中的一个重要指标Dc50（50%临界粒径）在卧式吸尘器的性能评估中参考价值降低了——在强气流作用型的颗粒组和在弱气流作用型的颗粒组中各自存在一个Dc50，而且处于中间粒径的微粒组中可能会同时存在两种Dc50，所以无法对该类型的分离器进行有效的评估。因此，建议在对家用吸尘器等小尺度旋风分离器的仿真分析中采取将颗粒按粒径分组，并逐一分析捕集模式和捕集率的研究方式。为了便于描述吸尘器灰尘分离的特有模式，本文提出了“强气流作用分离”和“弱气流作用分离”的概念并初步探讨了它们在吸尘器旋风分离中的特性，上述概念的提出对吸尘器旋风分离器的设计和研究可以提供一定的参考。在弱气流作用分离过程中，入射角度对颗粒的分离效果影响非常大。简单起见，在产品设计时可以直接参考颗粒入射后的惯性及碰撞运动轨迹来进行参数设定，而进风口、出尘口的尺寸、角度及相对位置这些要素的组合形式将对分离效果产生显著影响。另外，在弱气流作用分离过程中，重力的作用将较为明显，因此分离器在产品中的摆放角度是需要重视的问题。另外，从上述分析可以看出，山毛榉木屑的分离行为能够更细致地体现出与家用吸尘器旋风分离器具有同等尺度、同等工况的分离器在不同分离形式中的表现。如果基于成本或者效率的要求，需要对仿真实验和实机实验进行简化设计，那么采用山毛榉木屑射流将是更佳选择。

参考文献：

[1]林正二，小高靖典，刘有常.家用旋风式吸尘器的开发[J]. 家电科技，2003（09）：60-61.

[2]Ahn Y C， Jeong H K， Shin H S， et al. Design and performance evaluation of vacuum cleaners using cyclone technology[J]. Korean Journal of Chemical Engineering， 2006， 23（6）： 925-930.

[3]Ha G， Kim E， Kim Y， et al. A study on the optimal design of a cyclone system for vacuum cleaner with the consideration of house dust[J]. Journal of Mechanical Science & Technology， 2011， 25（3）： 689.

[4]EN 60312-2008，家用真空吸尘器性能测量方法[S].

[5]李强.旋风除尘器优化设计及分离特性研究[D].中南大学， 2008.