劉躍，常玲玲，管小榮

(1. 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前鋁箔需求量及生產(chǎn)量逐年上升。鋁箔剪切機(jī)是將鋁箔分剪成不同尺寸以適應(yīng)不同行業(yè)需求的關(guān)鍵設(shè)備。剪切機(jī)在工作時不可避免地會產(chǎn)生碎屑，長時間運(yùn)行后碎屑累積會明顯影響鋁箔分剪質(zhì)量。目前大多數(shù)剪切機(jī)需要按時停機(jī)進(jìn)行碎屑清掃，這對剪切機(jī)工作效率產(chǎn)生較大影響[1]?，F(xiàn)有的關(guān)于剪切機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化工作大多關(guān)注切割工具碟形刀[2-3]，相關(guān)成果對改善鋁箔生產(chǎn)質(zhì)量起到了良好的促進(jìn)作用，而針對碎屑收集的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成果較少[4]，且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺陷。

負(fù)壓管內(nèi)流動是常見的介質(zhì)輸送通道[5]。為了適應(yīng)鋁箔剪切機(jī)常用雙碟形刀的設(shè)置，本文設(shè)計(jì)了一種由雙支管組成的鋁箔剪切機(jī)碎屑收集管路系統(tǒng)，由鼓風(fēng)機(jī)輸送氣流并通過管內(nèi)局部尺寸變化產(chǎn)生負(fù)壓。文中采用目前工程中常用的計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)[6]方法，對不同擋板數(shù)量且考慮擋板厚度時的壓力-速度耦合流場進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，在分析對應(yīng)管內(nèi)流態(tài)分布規(guī)律及流動現(xiàn)象產(chǎn)生原因基礎(chǔ)上，給出獲得支路均勻負(fù)壓及吸力的擋板布置方法，可為鋁箔剪切機(jī)設(shè)備改進(jìn)提供參考。

1 幾何模型

圖1給出了常用的LT1350剪切機(jī)雙碟形刀分切鋁箔流程[1]設(shè)備圖。為了完成鋁箔碎屑收集工作，初步設(shè)計(jì)的圓形管路樣品如圖2所示。管路外觀由主管及兩個支管組成，考慮到方管對比于圓管具有加工工藝簡單、數(shù)值模型構(gòu)造精度高的優(yōu)點(diǎn)，本文中管路采用方管設(shè)計(jì)。管路氣流輸送動力來源于進(jìn)口處鼓風(fēng)機(jī)，鋁箔碎屑厚度為0.1～0.2mm，比較輕薄。為了獲得支管口理想吸力，氣流輸送功率參考常用工業(yè)吸塵器功率進(jìn)行設(shè)置[7]，文中取2.2kW，對應(yīng)氣流輸送量為320m3/h。

圖1 鋁箔剪切機(jī)分切流程設(shè)備

圖2 碎屑收集管樣品

2 計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

由于整體氣流流動Ma<0.2，主要求解黏性不可壓流體方程組，其矢量形式如下[8]：

(1)

式中：ρ為密度；U為速度矢量；f為體積力；p為壓力；μ為動力黏度。該方程可較好地反映管流黏性切應(yīng)力分布及流動壓力損失。

此外，管流雷諾數(shù)Re=9.9×104(由入口尺寸及速度確定)，屬于湍流運(yùn)動，需要求解湍流方程，經(jīng)比較選擇近壁及遠(yuǎn)場均有較好表現(xiàn)的SST模型(shear-stress transport)，其具體方程構(gòu)造如下[9]：

(2)

(3)

式中模型常數(shù)β*=0.09。此外，混合函數(shù)F1、湍動能生成項(xiàng)Pk、動力黏度μt、運(yùn)動黏度νt及混合模型參數(shù)α、β、σk、σω、σω2定義及取值詳見文獻(xiàn)[10]。

2.2 數(shù)值模型

以設(shè)置1個擋板為例，并考慮擋板厚度的三維方形管路外形如圖3上部所示，主管邊長為90mm，擋板厚度為5mm，高度為45mm，兩個支管間距為600mm。管路進(jìn)口處為速度進(jìn)口，由風(fēng)機(jī)流量及進(jìn)口尺寸確定的速度初值為U(11，0，0)；出口為壓力出口，2個支管P1、P2為壓力進(jìn)口。網(wǎng)格劃分如圖3下部所示，整體為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了充分考慮壁面作用對氣流流態(tài)的影響，單獨(dú)繪制壁面層網(wǎng)格，并對較關(guān)心的支管處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。此外，文中不同結(jié)構(gòu)管路計(jì)算網(wǎng)格均相同，以保證計(jì)算結(jié)果的可比性，使用Fluent軟件求解不可壓流體N-S方程組，方程離散采用二階迎風(fēng)格式[9]。

圖3 計(jì)算模型及局部網(wǎng)格

3 結(jié)果分析

文中為準(zhǔn)定常計(jì)算，為了獲得可信的分析數(shù)據(jù)，方程殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-5，并且監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)(P1、P2出口中心點(diǎn)壓力值)不再變化時認(rèn)為計(jì)算結(jié)束。此外，為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，課題組設(shè)計(jì)加工出設(shè)置2個擋板管路樣品(具體見3.2節(jié))，并使用流量計(jì)測量了2個支管口流量，將數(shù)值計(jì)算的支管口平均速度值與測量的流量換算值進(jìn)行對比，其中P1支管的數(shù)值結(jié)果、測量值分別為1.34m/s，1.28m/s，P2支管數(shù)據(jù)分別為-9.4m/s，-8.94m/s?？梢姅?shù)值結(jié)果與測量值誤差控制在5%左右，這也驗(yàn)證了本文中使用數(shù)值方法的可行性。

3.1 設(shè)置1個擋板

圖4為設(shè)置1個擋板并考慮擋板厚度時支管附近放大模型，根據(jù)流體伯努利方程，壓力-速度存在“此消彼長”的耦合對應(yīng)關(guān)系。因此首先設(shè)置1個擋板，嘗試通過減小過流面積來提高速度，進(jìn)而改變壓力分布。

圖4 1個擋板管路模型

圖5為設(shè)置1個擋板時管路中心截面壓力分布云圖。可以直觀地看到氣流經(jīng)過擋板前后壓力下降的變化，2個支管處均出現(xiàn)預(yù)期的負(fù)壓分布，這說明支管口氣流流向管內(nèi)，可以產(chǎn)生吸力，但同時可以發(fā)現(xiàn)2個支管內(nèi)負(fù)壓值并不相同，靠擋板較近的第1個支管負(fù)壓較大，這意味著2個支管產(chǎn)生的吸力值不相同。圖6管內(nèi)特征線上(坐標(biāo)位置(0，40，0)～(1 400，40，0))壓力及速度量化值(y方向，流向管內(nèi)為負(fù)，流出管外為正)可更清晰地展現(xiàn)支管的工作狀態(tài)，支管附近出現(xiàn)了兩個負(fù)壓區(qū)及對應(yīng)的兩個差異明顯的速度峰值，速度具體值分別為-9.71m/s、-3.89m/s(列于表1)。雖然對比不設(shè)擋板時支管縱向速度值(0.49m/s、0.30m/s，列于表1)有了較大改善，但兩者相差達(dá)150%，無法滿足2個支管吸力均勻要求。

圖5 截面壓力分布(1個擋板)

圖6 特征線上壓力及縱向速度量化值(1個擋板)

表1 不同擋板設(shè)計(jì)時支管縱向速度比較 單位：m/s

3.2 設(shè)置2個擋板

由上文結(jié)果可發(fā)現(xiàn)通過設(shè)置擋板改變管內(nèi)局部速度來改變壓力分布是可行的，但安裝1個擋板時存在支管負(fù)壓及吸力不均勻的缺陷，圖7給出了嘗試設(shè)置2個擋板時管路模型，在2個支管前設(shè)置等高度、等厚度擋板。

圖7 2個擋板管路模型

圖8給出了設(shè)置2個擋板時中心截面的壓力分布云圖，可以看到氣流在經(jīng)過擋板后同樣出現(xiàn)了壓力下降的現(xiàn)象，但仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)第2個支管附近出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)域，而第1個支管附近卻沒有出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域。這種現(xiàn)象在圖9特征線上(坐標(biāo)位置(0，40，0)～(1 400，40，0))壓力與速度量化分析中更明顯，第1個支管與第2個支管之間的區(qū)域均為正壓，對應(yīng)第1個支管附近縱向速度為正，2個支管縱向速度值分別為1.34m/s、-9.40m/s(列于表1)?？梢姴贾?個擋板時第1個支管氣流流出管外，無法產(chǎn)生吸力，這與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果也是一致的。

圖8 截面壓力分布(2個擋板)

圖9 特征線上壓力及縱向速度量化值(2個擋板)

為了深入分析管內(nèi)流態(tài)出現(xiàn)的原因，圖10給出了支管附近的流線及縱向速度分布。可以看到在第1個支管后部區(qū)域出現(xiàn)了較大的旋渦回流區(qū)，并使得第1個支管內(nèi)流態(tài)較為復(fù)雜。結(jié)合2個擋板管路結(jié)構(gòu)及壓力分布特征可知，第2個擋板會對第1個擋板后部區(qū)域氣流產(chǎn)生“阻擋”作用，這是第1個支管氣流流出管外并無法產(chǎn)生吸力的原因。

圖10 截面流線及縱向速度(2個擋板)

3.3 擋板優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上文的探討可以發(fā)現(xiàn)通過簡單設(shè)置擋板無法滿足鋁箔碎屑收集要求，考慮到擋板對局部流態(tài)的改變作用，可設(shè)置2個支管共用1個擋板，同時為了滿足支管口吸力均勻的要求，應(yīng)保證共用出口與2個支管之間的壓力降近似?；谏鲜龇治?，圖11給出了擋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的等距型管路。該管路在主管間設(shè)置連通擋板，2個支管共用1個出口，出口位于2個支管中間位置，并在出口處設(shè)置共用擋板，擋板高度為15mm。

圖11 等距型管路模型

圖12、圖13分別給出了等距型管路壓力云圖分布及特征線上壓力、速度量化值，與簡單設(shè)置擋板結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，在等距型支管共用擋板后部同樣出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，且2個支管內(nèi)負(fù)壓非常近似，量化值也顯示出2個支管附近壓力、速度呈現(xiàn)出明顯的對稱分布特征，2個支管附近對應(yīng)出現(xiàn)壓力、速度峰值，這說明了支管口速度及吸力較均勻，速度具體值為-6.26m/s、-6.23m/s，可認(rèn)為速度相等。圖14給出了等距型管路支管附近流線及縱向速度分布，可發(fā)現(xiàn)主管內(nèi)氣流通過檔板后流出，2個支管氣流流向管內(nèi)并通過共用出口匯入主流，且2個支管內(nèi)縱向速度一致，這進(jìn)一步證明了等距型管路產(chǎn)生均勻吸力的有效性。

圖12 截面壓力分布(等距型)

圖13 特征線上壓力及縱向速度量化值(等距型)

圖14 截面流線及縱向速度(等距型)

4 結(jié)語

為了設(shè)計(jì)出一款能夠滿足鋁箔剪切機(jī)碎屑收集要求、加工工藝簡單的管路結(jié)構(gòu)，文中使用數(shù)值方法計(jì)算了不同擋板結(jié)構(gòu)且考慮擋板厚度時的管路流場，獲得了壓力-速度耦合特征，并分析了各流態(tài)出現(xiàn)的原因。通過本文數(shù)值計(jì)算主要得出以下結(jié)論：

1)設(shè)置1個擋板時，雖然2個支管附近均產(chǎn)生負(fù)壓，但速度值相差達(dá)150%，無法滿足支管吸力均勻要求。

2)設(shè)置2個擋板時，第2個擋板會對第1個支管后部氣流產(chǎn)生“阻擋”作用，形成較大低速回流區(qū)，并導(dǎo)致第1個支管氣流流出管外，無法產(chǎn)生吸力。

3)優(yōu)化后等距型管路2個支管負(fù)壓利用較均勻，支管口氣流速度差異非常小，吸力相同，可滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。