一种用于路面残余冰雪侧向清运的多级圆形喷嘴接力吹扫装置及其参数确定方法

本发明具体涉及一种用于路面残余冰雪侧向清运的多级圆形喷嘴接力吹扫装置及其参数确定方法。

背景技术：

1、道路经除冰除雪、破冰、铲削、刮扫或融雪等前序处理后，路面仍可能残留碎冰、残雪、湿雪浆及融水等残余冰水混合物。若该类残余物未及时移出车辆轮迹及当前作业区域，容易再次冻结或形成湿滑路面，因此仍需要利用气动方式将其沿道路横向进行持续清运。

2、道路前序破冰、刮扫后形成的碎冰、残雪、湿雪浆及融水等残余冰雪混合物，对应需要沿道路横向持续清运。目前气动吹扫方式通常采用单个圆形喷嘴或多个圆形喷嘴集中布置，通过提高出口速度、增加喷嘴数量或增大喷嘴口径提高局部吹扫能力。圆形射流虽能够在喷口近场形成局部高速、高动量作用区域，但在沿路面传播过程中会受到卷吸、扩散及近壁耗散影响，其速度和壁面剪切作用随传播距离增加而逐渐衰减。

3、当多个圆形喷嘴集中布置于同一作用起点时，虽然能够扩大近场覆盖范围，但各射流通常在相近的沿程位置进入衰减阶段，因而难以持续补偿较远距离侧向清运过程中的气动力损失；相邻圆形射流之间还可能形成局部低能作用区域，影响作用区域的连续性。另一方面，单纯通过增大喷嘴口径提高作用范围会同步增加供气流量和动量需求，在供气能力一定的条件下并不必然提高气动作用效率。即便圆形喷嘴射流能够在近场形成局部高动量作用区，但其沿路面传播过程中存在明显衰减，不同喷嘴射流的空间作用范围也存在非均匀性，主要集中体现的具体问题为：

4、第一：圆形射流局部高能特性与较长侧向距离持续作用难以兼顾实现，由于单个圆形喷嘴的高速核心主要集中于喷口近场，射流沿路面向道路外侧传播后，其速度和壁面剪切作用因卷吸、扩散及近壁耗散逐步降低。若仅依靠单级喷嘴作用，其作用强度随侧向传播逐渐降低，难以在较远侧向位置持续维持较高的气动作用水平。

5、第二：多个圆形射流空间离散分布与连续作用区域之间未有规范的匹配方法，圆形喷嘴形成的路面作用区域具有明显的局部集中性。当多个圆形喷嘴同时工作时，不同射流作用区域之间可能存在强弱不均或局部低作用区域。

6、此外，当多级喷嘴中级间距过小时，前后级作用区域重叠程度增大，后一级对侧向作用范围的进一步延伸受到限制；级间距过大时，则可能使两级之间形成明显的低能谷值甚至局部作用中断，依赖经验给定固定尺寸不够精准和规范。

7、不同级间距或喷嘴布置方案可能具有相近的有效作用面积，但两级交接区域的局部作用衰减程度仍可能存在明显差异，有效作用面积难以精准反映级间局部接力衰减程度。

8、总之，目前圆形喷嘴吹扫方式仍存在局部作用能力较强而沿侧向清运方向持续作用能力不足，多个离散射流难以形成连续接力作用通道以及喷嘴空间布置缺乏明确流场依据的问题，未有能够改进喷嘴的空间组织方式及其布置参数的精准适配方法。

技术实现思路

1、为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种用于路面残余冰雪侧向清运的多级圆形喷嘴接力吹扫装置及其参数确定方法，以解决上述问题。

2、一种用于路面残余冰雪侧向清运的多级圆形喷嘴接力吹扫装置，包括第一级喷流组件和第二级喷流组件，第一级喷流组件包括至少两个第一喷嘴，至少两个第一喷嘴并列设置在车辆底盘上，第二级喷流组件包括至少两个第二喷嘴，至少两个第二喷嘴并列设置在车辆底盘上，每个第一喷嘴对应设置有一个第二喷嘴，每相邻两个第一喷嘴之间的水平距离与每相邻两个第二喷嘴之间的水平距离相等，每相邻两个第一喷嘴之间的水平距离为s，每个第一喷嘴与其对应的第二喷嘴之间的横向距离为ls，车辆底部设置有供风系统，供风系统分别与第一喷嘴和第二喷嘴相连通设置，第一级喷流组件和第二级喷流组件之间沿沿车辆行驶方向形成有错位量。

3、作为优选方案：第一喷嘴和第二喷嘴均为圆形喷嘴，第一喷嘴和第二喷嘴的直径相等，第一喷嘴的直径为d，第一喷嘴至路面的工作高度为h，第一喷嘴的喷流速度为v，第一喷嘴的喷射攻角。

4、作为优选方案：多级圆形喷嘴接力吹扫装置的侧向清运方向x为沿车辆底盘的一侧至另一侧设置，第一级喷流组件和第二级喷流组件均沿车辆底盘长度方向布置，第一级喷流组件靠近侧向清运方向x的源头设置，第二级喷流组件远离侧向清运方向x的源头设置。

5、一种用于路面残余冰雪侧向清运的参数确定方法，用于形成上述多级圆形喷嘴接力吹扫装置的配置参数，参数确定方法通过现场采集数据对应计算得出阶段性工程评价阈值、级间射流接力保持系数、多级圆形喷嘴接力吹扫装置的有效作用面积和级间衰减谷值后，以阶段性工程评价阈值、级间射流接力保持系数、多级圆形喷嘴接力吹扫装置的有效作用面积和级间衰减谷值作为路面气动作用特性指标，依据路面气动作用特性指标确定多级圆形喷嘴接力吹扫装置对应适配的第一级喷流组件和第二级喷流组件的直径d、工作高度h、喷流速度v、喷射攻角、水平距离s以及错位量的处理过程。

6、作为优选方案：阶段性工程评价阈值的获取过程为采用 comsol建立三维稳态计算模型，采用湍流模型，道路表面设置为壁面。喷嘴入口速度大小为，喷射方向按照喷嘴轴线与路面之间的喷射攻角设置，在道路表面提取壁面剪切应力作为近地气动作用的评价量，对应的表达式为：

7、；

8、上式中，为道路壁面剪切应力；ρ为空气密度；为摩擦速度；

9、以阶段性工程评价阈值作为不同喷嘴结构和布置参数提供统一的评价尺度，阶段性工程评价阈值的确定过程为：

10、以薄层水膜、经前序处理后的弱黏附残余冰以及湿雪浆三类典型残余物进行临界壁面剪切应力的工程估算对象，分别估算薄层水膜、经前序处理后的弱黏附残余冰以及湿雪浆的临界壁面剪切应力，采用薄层水膜、经前序处理后的弱黏附残余冰以及湿雪浆中的最大值作为残余冰水混合物的阶段性等效工程评价阈值，对应的计算公式为：

11、；

12、上式中，为水膜临界壁面剪切应力，为弱黏附残余冰临界壁面剪切应力，为湿雪浆临界壁面剪切应力；通过计算得到阶段性等效工程评价阈值作为残余冰水混合物结构和参数比较的阶段性工程评价尺度。

13、作为优选方案：以道路表面壁面剪切应力达到的阶段性工程评价阈值作为有效作用区域的判定条件对应确定有效作用区域以及有效作用面积的过程为：

14、被评价道路表面为，则有效作用区域定义为：

15、；

16、上式中：为路面有效作用区，所对应的区域集合；p为道路表面上的位置点；是用于计算和评价的目标道路表面区域；为阶段性等效工程评价阈值；

17、有效作用面积对应的计算公式为：

18、；

19、上式中：为有效作用面积；为示性函数，条件成立时取1，条件不成立时取0；为道路表面微元面积。

20、作为优选方案：级间衰减谷值的获取过程为依据前一级作用衰减趋势对应确定后一级布置位置的过程中得出，即单级喷嘴的基本几何和运行工况确定后，首先计算第一级喷流组件单独工作时的道路表面壁面剪切应力分布后，依据计算结果沿侧向清运方向x分析第一级喷流组件的有效作用区域的延伸及衰减过程；

21、当前一级射流沿程作用值等于阶段性工程评价阈值时，将前一级射流沿程作用值的对应区域作为后一级喷嘴布置位置的参考区域，在参考区域设置不同级间距的所在区域作为候选备用区域；

22、对各个候选备用区域进行联合计算，当级间距为1.0 m时，表明前一级射流沿程作用区域与后一级喷嘴布置位置的参考区域的重叠程度高，当级间距处于1.1 ~1.7之间时，表明前一级射流沿程作用区域与后一级喷嘴布置位置的参考区域的重叠程度低，依据前一级射流实际作用场识别其衰减区域，再在该区域附近生成级间距候选，并通过后续评价指标比较不同候选方案最终确定后一级喷嘴位置的尺寸；

23、级间射流接力保持系数的确定过程为：

24、在目标作用带内设置n条代表性检测线，对于第i条检测线中，为第一喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值；为第二喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值；为位于第一喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值和第二喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值之间的最低壁面剪切应力，即为级间衰减谷值，级间衰减谷值的表达式为：

25、；

26、上式中：为第一喷嘴的第一级作用峰值位置；为第二喷嘴的第二级作用峰值位置；为第i条检测线的车辆纵向坐标；为路面壁面剪切应力；

27、比较第一喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值与第二喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值的大小，取第一喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值与第二喷嘴的射流在第i条检测线上的局部壁面剪切应力峰值中的低值作为参考作用强度，将级间谷值与参考作用强度之比作为为局部接力保持率，对应公式为：

28、；

29、上式中，为第i条检测线的局部接力保持率，无量纲；在公式中，分母取前后两级局部峰值中的较小值，从而表征相邻两级中相对较弱一级的作用水平，即当越接近1时，对应表明两级交接区域的谷值相对于相邻两级峰值下降越小；越小，对应表明级间作用衰减趋势越明显。

30、作为优选方案：在目标作用带内布置n条代表性检测线，采用各个检测线局部接力保持率的平均值表征整体级间接力状态，级间射流接力保持系数的对应的公式为：

31、

32、上式中：为级间射流接力保持系数，无量纲；n为目标清运带内代表性检测线数量；

33、级间射流接力保持系数的取值范围为：，当越接近1时，对应表明目标作用带内前后两级射流在交接区域的整体作用保持程度越高；当越小接近0时，对应表明级间作用衰减越明显；

34、最终通过级间射流接力保持系数与阶段性等效工程评价阈值以及有效作用面积相结合完成联合评价过程。

35、本发明的有益效果在于：

36、本发明中的多级圆形喷嘴接力吹扫装置中第一级喷流组件和第二级喷流组件之间相互配合能够形成布置合理且能够适配清运方向的吹扫过程，第一级喷流组件中的第一喷嘴和第二级喷流组件中的第二喷嘴均布置于车辆底盘下方的同一作业区域内，并沿道路横向及残余冰雪的侧向清运方向依次设置。第一喷嘴和第二喷嘴沿侧向清运方向进行分级组织，使不同级喷嘴在不同沿程位置依次提供气动作用，第一喷嘴形成第一级射流，第二喷嘴形成第二级射流，当多级圆形喷嘴接力吹扫装置作业时，第一级射流首先在路面形成初始气动作用区域，使残余冰雪获得沿道路横向的气动力；随着第一级射流沿路面传播并逐渐衰减，第二级射流在其下游继续提供气动力和近壁剪切作用，从而对第一级射流衰减后的作用进行补充，通过两级或更多级喷嘴依次介入，实现气动作用沿侧向清运方向得到分段补充的效果，本装置能够沿残余物的侧向运动路径重新组织多个局部高能射流，使上一级作用衰减后能够由下一级及时补充气动力，形成沿清运方向持续传递的射流作用通道吹扫效果，确保不同射流作用区域在侧向和沿程方向实现有效衔接，确保喷嘴数量增加而有效作用连续性并同步协同吹扫的过程，吹扫分级的强度和位置能够精准适配实际清扫需求。

37、本发明中的用于路面残余冰雪侧向清运的参数确定方法用于精准确定多级圆形喷嘴接力吹扫装置相关参数的适配过程，通过现场采集数据对应计算得出阶段性工程评价阈值、级间射流接力保持系数、多级圆形喷嘴接力吹扫装置的有效作用面积和级间衰减谷值后，以阶段性工程评价阈值、级间射流接力保持系数、多级圆形喷嘴接力吹扫装置的有效作用面积和级间衰减谷值作为路面气动作用特性指标，依据路面气动作用特性指标确定多级圆形喷嘴接力吹扫装置对应的第一级喷流组件和第二级喷流组件的直径d、工作高度h、喷流速度v、喷射攻角、水平距离s以及错位量的适配过程，能够为精准适配吹扫装置中的相关参数提供规范且精准的配置过程。