劉 躍， 常玲玲， 管小榮

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 智能制造學院， 陜西 西安 710300；2.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

鋁箔廣泛應用于食品、醫(yī)療和電子等行業(yè)中，我國鋁箔產(chǎn)量更是在2008年開始便居全球首位，市場占比為56.7%[1]。經(jīng)過長足發(fā)展，我國鋁箔生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備已逐步系統(tǒng)化和完善化，形成了專門的軋制、涂層、開卷及分切等模塊[2]206。其中，分切模塊主要使用鋁箔剪切機。鋁箔剪切機是將鋁箔分剪成不同尺寸以適應不同行業(yè)需求的關鍵設備。查閱文獻可知，相關學者對剪切機關鍵零部件如碟形刀、液壓系統(tǒng)等[3-4]進行了持續(xù)優(yōu)化，這些成果對改善鋁箔生產(chǎn)質量起到了良好的促進作用。但觀察鋁箔實際剪切流程可以發(fā)現(xiàn)剪切機工作時不可避免地會產(chǎn)生碎屑，長時間運行時由于碎屑累積會明顯影響鋁箔分剪質量?，F(xiàn)階段大多數(shù)剪切機需要按時停機進行碎屑清掃，這對剪切機工作效率產(chǎn)生較大影響。目前針對碎屑收集的產(chǎn)品設計成果較少[5]，且存在結構復雜、成本較高的缺陷。

課題組擬根據(jù)鋁箔剪切機工作特點設計一種由雙支管組成的管路系統(tǒng)，由鼓風機向管內(nèi)輸送氣流，通過管內(nèi)局部尺寸變化產(chǎn)生負壓[6-8]。課題組采用目前工程中常用的計算流體方法(CFD)[9-10]對不同管路結構設計時的壓力-速度耦合流場進行三維數(shù)值計算，在分析擋板改變管內(nèi)壓力-速度分布規(guī)律及流動現(xiàn)象產(chǎn)生的基礎上，重點分析不同管路結構對支管附近速度及吸力的影響規(guī)律，并最終給出優(yōu)化設計方案，為鋁箔剪切機設備改進提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

鋁箔剪切機一般設置2個碟形刀完成鋁箔切割工作，圖1所示為常用的LT1350剪切機雙碟形刀位置局部放大[2]207示意。

圖1 鋁箔剪切機Figure 1 Foil slitter

為了完成鋁箔碎屑收集工作，初步設計的碎屑收集管路外部模型如圖2所示?？紤]到方管對比于圓管具有加工工藝簡單、數(shù)值模型構造精度高的優(yōu)點，文中管路采用方管設計。該管路外部由主管及2個支管P1和P2組成，主管邊長為90 mm，支管邊長為40 mm。為了適應剪切機碟形刀的工作位置，P1中軸線x方向坐標為780 mm(進口截面中心點為坐標原點，軸向延出口方向為x軸正方向，豎直為y方向，橫向為z方向)，P2中軸線x方向坐標為1 280 mm。

圖2 管路模型Figure 2 Pipe model

1.2 計算方程

輸送介質為氣體，整體流動馬赫數(shù)Ma<0.2，主要求解黏性不可壓流體方程組，其矢量形式如下[11]：

(1)

式中，ρ為密度，U為速度矢量，f為體積力，p為壓力，μ為氣體動力黏度。

式(1)較好地反映管流黏性切應力分布及流動壓力損失。

此外，管流雷諾數(shù)Re=1.25×105(由入口尺寸及速度確定)，屬于湍流運動，經(jīng)比較，選擇近壁及遠場均有較好表現(xiàn)的SST湍流模型(shear-stress transport)。其具體方程構造如下[12]241：

(2)

(3)

式中：模型常數(shù)β*=0.09；k為湍動能；ω為湍動能耗散率；此外，混合函數(shù)F1、湍動能生成項Pk、動力黏度μt、運動黏度νt及混合模型參數(shù)α，β，σk，σω，σω2定義及取值詳見文獻[12]。

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值邊界

三維管路計算網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格整體為結構網(wǎng)格，單獨繪制壁面層網(wǎng)格以充分考慮壁面作用對氣流流態(tài)的影響，并對較關心的支管處網(wǎng)格進行加密處理。在邊界設置方面，進口處為速度進口。為了獲得支管口理想吸力，氣流輸送功率參考常用工業(yè)吸塵器功率進行設置[13]，課題組取2.2 kW，對應氣流輸送量為405 m3/h，對應軸向(x方向)初始風速U為13.89 m/s；出口為壓力出口；2個支管口為壓力進口；管路設置為壁面邊界。為了保證計算結果的可比性，文中不同結構管路計算網(wǎng)格均相同，使用FLUENT軟件求解不可壓流體N-S方程，方程離散采用2階迎風格式。

圖3 局部網(wǎng)格Figure 3 Local grids

2 計算結果分析

本研究為準定常計算，為了獲得可信的分析數(shù)據(jù)，方程殘差標準設置為10-5，并且監(jiān)測點數(shù)據(jù)(P1，P2出口中心點壓力值)不再變化時認為計算結束。此外，為了驗證數(shù)值模型的適用性，在管路中增加了擋板，如圖4所示。并使用流量計測量了2個支管的空氣流量，將數(shù)值計算的支管口平均速度值(縱向速度值v，流出管外為正，流入管內(nèi)為負)與測量的流量換算值進行對比。

2.1 初步管路設計

決定支管吸力大小的負壓分布取決于管內(nèi)局部壓力-速度耦合變化結果。為了探討雙支管時氣流流態(tài)特征及通過擋板改變管內(nèi)壓力分布的結構設計方法，課題組計算了管路中設置2個擋板及連通隔板的管路流場。在2個支管前部設置高度h為40 mm的擋板，氣流可從擋板下部通過，2個擋板模型如圖4(a)所示；在P1前部設置擋板，2個支管連通設置，共用1個出口，連通型設計如圖4(b)所示。后文為了敘述方便，將設置2個擋板及連通隔板時的管路分別命名為“2個擋板型”及“連通型”。

圖4 初步管路設計Figure 4 Tentative pipe design

圖5所示為2個擋板型及連通型管路中心截面的壓力分布。整體來看，阻擋物后部壓力明顯低于其前部壓力，這說明通過設置阻擋物改變管內(nèi)局部速度來改變壓力分布是可行的。從圖5(a)可知，在第2個擋板處出現(xiàn)負壓區(qū)域，而第1個擋板處并沒有出現(xiàn)預想的負壓值；從圖5(b)可知，連通域內(nèi)形成了負壓，這說明P1和P2支管口氣流方向朝向管內(nèi)。

圖5 管路壓力云圖Figure 5 Pressure contours

圖6所示為特征線上的壓力及速度沿程分布。圖6(a)特征線上(坐標(0，0，0)至(1 800，0，0))的壓力和速度量化分布更加明顯，壓力與速度分布呈現(xiàn)出對稱式耦合分布規(guī)律，但2個擋板之間出現(xiàn)了較大的正壓區(qū)域，這意味著P1支管口無法形成向內(nèi)吸力；但從圖6(b)中特征線上(坐標(0，25，0)至(1 800，25，0))壓力與速度量化值可以看到，2個支管附近形成的負壓值并不均勻，P2支管負壓值較大，對應速度值同樣大于P1支管速度值，這意味著雖然連通型管路可以在支管處形成吸力，但2個支管吸力大小不一致。這是因為2個支管口距共用出口距離不相同造成的。

圖6 特征線上的壓力及速度沿程分布Figure 6 Pressure and velocity distribution along typical line

為了深入分析管路流場特征，圖7給出了2種管路支管附近的流線及縱向速度分布。從圖7(a)和圖7(b)可知，P2支管氣流流向管內(nèi)，平均速度為-18.24 m/s；P1支管附近流態(tài)較復雜，2個擋板之間形成了較大的反向渦流區(qū)域，P1支管口平均速度為8.69 m/s，氣流流出支管，這說明第2個擋板對第1個擋板后部氣流的阻礙作用是造成P1支管無法形成負壓的主要原因。從圖7(c)和圖7(d)可知，2個支管口氣流均流向管內(nèi)，但P2支管速度明顯大于P1支管速度。P1和P2的速度分別為-5.19 m/s和-8.42 m/s，差異值達62.24%。為了便于比較，2個擋板型及連通型計算條件下支管口平均縱向速度值列于表1中。

圖7 支管附近縱向速度及流線Figure 7 Longitudinal velocity and local streamlines near branch pipe

表1 不同管路結構時支管縱向速度比較

2.2 管路優(yōu)化設計

由以上分析可知簡單設置2個擋板及連通隔板均無法很好地滿足鋁箔碎屑收集要求，需要對其進行改進。在連通型基礎上，考慮將共用出口設置為支管等距位置，并在出口處設置擋板，命名為等距直角型(圖8(a))。同時由圖7(b)～(d)可以看到，由于支管與主管呈直角連接，在其后部均形成了低速旋渦區(qū)域，這對負壓利用是不利的，課題組嘗試將直角改成圓角，命名為等距圓角型(圖8(b))，以改善氣流流態(tài)。

圖8 改進后管路設計Figure 8 Optimized pipeline designs

圖9所示為等距直角型與等距圓角型管路中心截面的壓力分布云圖。從圖中可以看到在共用出口后方及支管內(nèi)部區(qū)域均出現(xiàn)了需要的負壓區(qū)域，且2個支管口附近負壓值沒有明顯差異。繼續(xù)分析圖10特征線上(坐標位置(0，25，0)至(1 800，25，0))壓力及速度量化值可知，共用出口處出現(xiàn)負壓峰值。由于2個支管相對出口軸線對稱分布，支管附近負壓及速度值也對稱分布，支管口速度值差異很小，這說明前文對連通型結果分析及設置等距型結構是正確的。

圖9 管路壓力云圖Figure 9 Pressure contours

圖10 特征線上的壓力及速度沿程分布Figure 10 Pressure and velocity comparison along typical line

圖11所示為等距型管路采用直角和圓角連接時的支管附近流線及縱向速度分布。從圖中可以看到2者支管口氣流均流向管內(nèi)，但支管與主管處圓角設置可以對氣流起到更好的“導向”作用，拐角處低速渦流區(qū)明顯減小，這與圖10(b)中圓角支管附近負壓分布更均勻是相對應的。由計算數(shù)據(jù)可知，等距直角型管路支管縱向速度值分別為-15.27 m/s和-15.26 m/s(見表1)，等距圓角型結果為-16.20 m/s和16.21 m/s(見表1)，可見等距型結構支管速度值相差非常小，可滿足鋁箔碎屑收集要求。同時圓角型速度相比于直角型提高了6%左右，有效提高了負壓利用率。

圖11 支管附近縱向速度及流線Figure 11 Longitudinal velocity and local streamlines near branch pipe

3 結論

為了設計出一款能夠滿足鋁箔剪切機碎屑收集要求、加工工藝簡單的方形管路結構，課題組使用數(shù)值模擬方法計算了不同擋板結構的管路流場，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。通過數(shù)值計算主要得出以下結論：

1) 簡單設置2個擋板時，在P2支管處可形成負壓區(qū)域及有效吸力；P1支管后部由于第2個擋板產(chǎn)生的“阻礙”作用形成大的渦旋回流區(qū)，無法產(chǎn)生負壓及吸力。

2) 連通型管路由于2個支管至共用出口距離不同導致支管口氣流流速差異達62.24%，造成吸力不均勻，無法滿足工業(yè)需要。

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

4) 圓角支管對氣流導向作用良好，可有效縮小拐角處低速渦流區(qū)域，相比直角時支管縱向速度可提高6%左右。