陳傳俊，韋長峰，汪晟杰

(1.揚州市江都永堅有限公司，江蘇 揚州 225200)(2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

手持式砂輪切割機粉末吸收裝置開發(fā)

陳傳俊1，韋長峰1，汪晟杰2

(1.揚州市江都永堅有限公司，江蘇 揚州 225200)(2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

采用FLUENT仿真軟件對所設(shè)計的粉塵吸收裝置內(nèi)部含塵氣流流動規(guī)律以及流場分布規(guī)律進(jìn)行了分析研究，并制作出實物樣機。經(jīng)過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了粉塵吸收裝置內(nèi)含塵氣流的壓力、速度、濃度和軌跡分布規(guī)律。利用FLUENT仿真軟件調(diào)節(jié)出口真空度，通過分析仿真結(jié)果可確定最佳真空度值。研究結(jié)果表明，仿真結(jié)果對裝置的優(yōu)化設(shè)計和實際運行具有一定的理論指導(dǎo)作用。

砂輪切割機；粉塵吸收裝置；計算流體動力學(xué)(CFD)；數(shù)值模擬

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，我國的工業(yè)化進(jìn)程加快，大量機械加工設(shè)備及電動工具得到了廣泛的應(yīng)用。這些工具的加工原理大多為去除多余材料，在原材料或半成品轉(zhuǎn)化為尺寸、形狀及精度符合加工要求的成品的同時，還會產(chǎn)生大量的粉塵、噪聲、固體廢棄物等加工副產(chǎn)品[1]。手持式砂輪切割機便屬于此類電動工具，且被廣泛應(yīng)用于家庭裝潢材料的切割中。在砂輪切割機工作過程中常會產(chǎn)生大量粉塵，致使工作環(huán)境空氣質(zhì)量下降，嚴(yán)重威脅到操作人員的身體健康。

為了有效解決這一問題，本文研究的目標(biāo)是在原有手持式砂輪切割機的基礎(chǔ)上設(shè)計并制作粉末吸收裝置，及時吸收切割產(chǎn)生的粉塵，減少粉塵彌漫，有效減輕空氣污染，保護(hù)有關(guān)人員的健康。

1 計算流體動力學(xué)簡介

1.1計算流體動力學(xué)基本概念

計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是一種利用計算機數(shù)值計算和圖像顯示來模擬流體流動以及傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，CFD分析常應(yīng)用于產(chǎn)品的概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計階段，目前已涵蓋了汽車和航空業(yè)的空氣動力學(xué)分析、內(nèi)部流場分析、熱交換分析、流體機械仿真等領(lǐng)域[2-3]。

CFD的計算流程分為3個部分：

a.前處理。主要用于模型的修整、網(wǎng)格的生成以及計算域、邊界條件的設(shè)定等。

b.求解。CFD軟件求解方法的流程通常為利用簡單函數(shù)近似表示未知的流動變量；將近似函數(shù)代入流動控制方程和所得到的數(shù)學(xué)式進(jìn)行離散化；求解代數(shù)方程。不同求解方法的主要區(qū)別在于流動變量的近似方法和離散化過程不同。

c.后處理。通過CFD軟件提供的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)及工具，顯示計算域的等值線圖、矢量圖及顆粒軌跡等。

1.2FLUENT軟件介紹

FLUENT軟件是由美國FLUENT公司于1983年推出的CFD軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機械、高速列車、汽車、能源及冶金領(lǐng)域，軟件采用了多種求解方法以及多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因此利用FLUENT軟件能獲得較高的收斂速度和求解精度[2-4]。FLUENT的基本物理模型包括基本流動模型、湍流模型、多相流模型、粘性模型、離散相模型和熱傳導(dǎo)模型等[5]。

2 樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文以某型手持式砂輪切割機為對象, 基于原有配套的半封閉防護(hù)罩，使用激光切割的PMMA板材將開放側(cè)封閉，并設(shè)置導(dǎo)向裝置以便活動防護(hù)板滑動?；顒臃雷o(hù)板也由PMMA板加工而成，同時開設(shè)有小孔，可以利用螺釘鎖定活動防護(hù)板的工作位置。除塵防護(hù)罩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—切割機主體；2—固定除塵罩；3—吸塵口螺紋接頭；4—擋塊；5—緊固螺釘；6—砂輪；7—擋板；8—活動防護(hù)板；9—滾花高頭螺釘

整套粉塵吸收裝置的設(shè)計方案如圖2所示。利用真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空使粉塵吸入集塵室內(nèi)的除塵袋，通過除塵袋的過濾作用使粉塵留在除塵袋內(nèi)。集塵室上設(shè)置有兩個孔，一個接進(jìn)氣吸塵管路，另一個接真空管路。進(jìn)氣吸塵管路與除塵防護(hù)罩的吸塵口相連通，真空管路與真空發(fā)生器的真空口相連通。

1—空氣壓縮機；2—真空發(fā)生器；3—集塵室；4—除塵袋；5—軟管；6—砂輪切割機

3 模型建立及邊界條件設(shè)置

3.1物理模型的建立

選擇除塵防護(hù)罩工作時，砂輪所在的中間平面為二維模型的求解空間。如圖3所示，二維模型求解空間中心處的空白部分為砂輪所占據(jù)的面積，對應(yīng)的圓周可設(shè)置為移動壁面，以等效砂輪的切割旋轉(zhuǎn)運動；二維模型的底面可設(shè)置為速度入口，模擬含塵氣流進(jìn)入除塵防護(hù)罩的情況；右上方的矩形平面可設(shè)置為壓力出口，將壓力值設(shè)為負(fù)值，模擬吸塵的效果；其他部分設(shè)置為靜止壁面。采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)(Interval Count)為20。

圖3 二維模型及其網(wǎng)格劃分

3.2數(shù)值模擬條件假設(shè)

根據(jù)雷諾數(shù)Re的定義公式，在除塵防護(hù)罩內(nèi)大部分粉塵處于湍流狀態(tài)，本文采用在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上修改而來的RNGk-ε雙方程湍流模型，同時進(jìn)行以下假設(shè)：(1)防護(hù)罩內(nèi)的混合氣體為不可壓縮氣體；(2)壁面無粉塵沉降；(3)氣體運動視為定常流動；(4)顆粒相為稀疏相(體積分?jǐn)?shù)小于10%)，不考慮顆粒間的相互碰撞[6]。

3.3邊界條件的確定

將GAMBIT中劃分的網(wǎng)格模型文件導(dǎo)入FLUENT中，檢查網(wǎng)格并修改模型單位。依次完成基本求解器的定義、湍流模型的選擇、流體物理屬性的定義和邊界條件的設(shè)置。為減少存儲資源的消耗，加快計算求解速度，根據(jù)切割機實際的運行情況對模型加以簡化，設(shè)置的邊界條件如下：

a.連續(xù)相。入口速度為28.78m/s(砂輪線速度的一半)；出口壓力為-88kPa，即真空發(fā)生器所能產(chǎn)生的真空度；移動壁面作圓周運動，轉(zhuǎn)速為11 000r/min；靜止壁面為默認(rèn)設(shè)置。

b.離散相。設(shè)置DPM模型邊界條件時，固體顆粒有4種邊界條件類型，分別是反彈、捕捉、逃逸、通過[6]。

將入口設(shè)為通過，出口設(shè)為逃逸，其他壁面均設(shè)為反彈。

4 仿真結(jié)果分析

二維模型求解收斂后，仿真結(jié)果如圖4～7所示。圖4、圖5分別給出了模型內(nèi)的速度、壓力分布情況，從圖中可看出，速度、壓力均沿移動壁面發(fā)生一定變化，可認(rèn)為砂輪運轉(zhuǎn)會對內(nèi)部流場產(chǎn)生影響。根據(jù)模型顆粒運動軌跡圖可看出粉塵顆粒在流場內(nèi)的運動情況，如圖6所示。

圖4 速度矢量圖

圖5 壓力分布云圖

圖6 顆粒運動軌跡圖

圖7給出了直徑為5μm的顆粒濃度分布情況。通過連續(xù)相和離散相的兩相耦合計算[7-8]可以輸出顆粒濃度(DPM Concentration)分布云圖。在其他條件不變的情況下，分別設(shè)置壓力出口真空度為-88kPa和-0.5MPa。從圖7(a)可看出，出口真空度為-88kPa時，還有部分粉塵未被吸收，除塵效果不理想。增大出口處的真空度至-0.5MPa，再次進(jìn)行迭代求解，得到如圖7(b)所示的模擬結(jié)果。從圖中可看出，大量粉塵顆粒已被吸收，除塵效果比較理想。

通過圖7中壓力出口真空度設(shè)置的不同，使所得到的仿真結(jié)果出現(xiàn)差異的這種情況可以看出，出口處的真空度應(yīng)盡量取得大一些。但過大的真空度也會提高對相關(guān)設(shè)備的要求，使成本上升。因此在進(jìn)一步的研究中可以利用仿真與實際實驗相結(jié)合的方法，確定所需真空度的最佳值，使整套裝置達(dá)到最佳性價比。

圖7 顆粒濃度分布圖

實際試切情況表明，整套裝置雖有一定的吸塵效果，但效果還遠(yuǎn)未達(dá)到最佳。軟件仿真及樣機試切結(jié)果都說明了這一問題。由于單個真空發(fā)生器所產(chǎn)生的真空度有限，因此在進(jìn)一步的研究中可以考慮采用多個真空發(fā)生器并聯(lián)的方法，為整套裝置提供足夠的真空度。

5 結(jié)束語

根據(jù)壓力分布圖及速度矢量圖可以看出，在除塵防護(hù)罩內(nèi)流體的壓力與速度都有一定的變化，且可使流體的流動狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的改變。論文驗證了使用CFD模擬粉塵顆粒運動方法的可行性，研究結(jié)果表明,仿真結(jié)果對裝置的優(yōu)化設(shè)計和運行情況分析具有一定的理論指導(dǎo)作用?？紤]到整套裝置的便攜性，在以后的研究中可考慮將整套裝置小型化。試驗結(jié)果表明，整套裝置雖有一定吸塵效果，但效果并不顯著，整套粉末吸收裝置還有較大的改進(jìn)空間。

[1] 吳建.機械加工過程中粉塵污染危害控制研究[J].科技視界,2012(19)：266-267.

[2] 李明高,李明.ANSYS 13.0流場分析技術(shù)及應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012.

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Thedesignonthedustremovaldeviceforhandheldabrasivecutter

CHEN Chuanjun1,WEI Changfeng1,WANG Shengjie2

(1.Yangzhou Jiangdu Yongjian Co.,Ltd., Jiangsu Yangzhou, 225200, China)(2.Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

Based on FLUENT system, it analyzes the rule of air flow with dust and the distribution rule of flow field in the dust removal device, designs and manufactures the dust removal device for handheld abrasive cutter. Based on numerical simulation, it obtains the distribution field of dusty air pressure, velocity, concentration and track. Using FLUENT to adjust export vacuum degree, it realizes the optimal value of vacuum degree. The results show that simulation mathod can offer theoretical references for optimization design and practical operation of the dust removal device.

abrasive cutter; dust removal device; CFD; numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.013

2014-11-10

江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項目(BA2014130)

陳傳俊(1970—)，男，江蘇揚州人，揚州市江都永堅有限公司，主要研究方向為機械與液壓系統(tǒng)設(shè)計。

X701.2

A

2095-509X(2014)12-0055-04