常玲玲，劉 躍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)與軟件學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

近年來，鋁箔由于綠色環(huán)保、可再生等特點被廣泛應(yīng)用于食品、包裝、電子等行業(yè)。鋁箔加工生產(chǎn)流程較多，如涂層、烘干、冷卻、分切卷取等。其中，分切卷取是將鋁箔裁剪成不同尺寸以適應(yīng)不同行業(yè)需求的關(guān)鍵流程。分切工序主要使用鋁箔剪切機(jī)，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，剪切機(jī)運行時不可避免地會產(chǎn)生碎屑，長時間的碎屑累積會明顯影響鋁箔分剪質(zhì)量及效率[1]。早期需要剪切機(jī)經(jīng)常停機(jī)來清掃碎屑，后續(xù)學(xué)者逐漸設(shè)計、改進(jìn)了專門的鋁箔碎屑收集裝置，經(jīng)過不斷優(yōu)化，目前碎屑收集裝置可通過改變擋板結(jié)構(gòu)在管內(nèi)形成負(fù)壓，并基本滿足支管吸力均勻要求[2-4]。但現(xiàn)有收集裝置動力輸送方式比較單一，主要為在管路進(jìn)口設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，通過向管內(nèi)輸送氣流的方式為碎屑收集提供動力。在實際氣流輸送方式中還有虹吸的方式，即在出口處安置鼓風(fēng)機(jī)，但尚未見該方法在鋁箔碎屑收集中的應(yīng)用討論，這對于提高碎屑收集裝置的適用性及企業(yè)可選擇性是不利的。

本文擬采用工程中常用的計算流體力學(xué)方法(Computational Fluids Dynamics，CFD)對鋁箔剪切機(jī)碎屑收集裝置氣流輸送流場進(jìn)行分析[5]，重點對比送風(fēng)式及吸風(fēng)式管路的壓力-速度分布規(guī)律，進(jìn)而獲得不同流動現(xiàn)象產(chǎn)生原因及不同結(jié)構(gòu)對支管附近速度及吸力的影響規(guī)律，為鋁箔剪切機(jī)設(shè)備改進(jìn)及企業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

圖1為鋁箔剪切機(jī)及碎屑收集裝置，剪切機(jī)使用碟形刀分切鋁箔過程中產(chǎn)生的碎屑通過收集裝置支管進(jìn)行處理。本文計算使用的可更換動力形式的碎屑收集管路幾何模型如圖2所示，該方形管路主要由主管及兩個支管(P1、P2)組成，主管口邊長設(shè)計為90 mm，兩個支管口尺寸為90 mm×40 mm。兩個支管中心軸線間距為1 000 mm，P1軸線距送風(fēng)口距離為280 mm，P2軸線距吸風(fēng)口距離為520 mm，以適應(yīng)雙碟形刀位置。此外，兩個支管間設(shè)置等距出口，并設(shè)置擋板，通過局部壓力-速度耦合變化達(dá)到兩個支管等分負(fù)壓、產(chǎn)生相等吸力的目的。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)裝于送風(fēng)口時為送風(fēng)式管路，氣流“吹”入管內(nèi)；當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)安裝于吸風(fēng)口并安置活動擋板時為吸風(fēng)式管路，這時氣流為“吸”出管路。鼓風(fēng)機(jī)氣流輸送功率參考常用工業(yè)吸塵器功率進(jìn)行設(shè)置[6]，取為2.2 kW，對應(yīng)氣流輸送量為320 m3/h。

圖1 鋁箔剪切機(jī)及碎屑收集裝置

圖2 碎屑收集管路幾何模型

1.2 數(shù)值模型

三維管路數(shù)值計算網(wǎng)格劃分如圖3所示，主要為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在彎管處采用混合網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量。為了充分考慮壁面作用對氣流流態(tài)的影響，單獨劃分近壁區(qū)網(wǎng)格，并對較關(guān)心的支管處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。湍流模型使用對旋流模擬較好的RNGk-ε模型，方程離散采用二階迎風(fēng)格式[7]， 求解不可壓流體N-S方程。此外，在送風(fēng)式計算時，送風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口，吸風(fēng)口為壓力出口，兩個支管口設(shè)置為壓力進(jìn)口；在吸風(fēng)式計算時，吸風(fēng)口設(shè)置為速度出口。

圖3 三維管路數(shù)值計算網(wǎng)格劃分 (局部)

1.3 模型驗證

為了驗證本文使用的數(shù)值模型在鋁箔碎屑收集管路計算中的合理性，課題組設(shè)計加工出送風(fēng)式管路樣品，并使用鉆孔方法將高精度氣壓傳感器安置于支管口側(cè)壁，測量了兩個支管口處的壓力值，得到的平均壓力模擬值與實驗值對比如圖4所示。兩個支管口處的壓力模擬值分別為-21.72 Pa和-21.59 Pa，實驗值分別為-20.86 Pa和-20.67 Pa，通過比較發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，說明本文使用的數(shù)值方法是可行的。

圖4 支管口處的平均壓力模擬值與實驗值對比

2 計算結(jié)果分析

使用上述模型及參數(shù)分別對送風(fēng)式和吸風(fēng)式管路進(jìn)行仿真計算。以送風(fēng)口截面中心為坐標(biāo)原點，沿吸風(fēng)口方向為x正方向，沿支管向上為y正方向，垂直于xy截面為z方向。此外，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率及截面面積計算的氣流初始速度為(10.97，0，0) m/s，并規(guī)定氣流速度方向與坐標(biāo)正負(fù)一致。

2.1 送風(fēng)式管路

圖5為送風(fēng)式管路中心截面的壓力和速度云圖，可以看到進(jìn)口安裝鼓風(fēng)機(jī)，氣流“吹”入管內(nèi)，初始?xì)鈮簽檎龎?，氣流?jīng)過共用出口擋板時，氣流膨脹產(chǎn)生負(fù)壓，同時由于兩支管與共用出口距離相等，兩支管負(fù)壓相等；在負(fù)壓作用下，支管氣流流向管內(nèi)，縱向速度為負(fù)，并在管口產(chǎn)生吸力。

圖5 送風(fēng)式管路中心截面壓力和速度云圖

圖6為送風(fēng)式管內(nèi)特征線上(兩支管之間區(qū)域，空間直線端點坐標(biāo)為(288，10，0)～(1 300，10，0))壓力及縱向速度量化值。由圖6可以看到：呈現(xiàn)“負(fù)壓大-速度大、負(fù)壓小-速度小”的耦合特征；此外，還可以看到兩支管的壓力及速度呈現(xiàn)出對稱特征，說明數(shù)值接近，這與云圖規(guī)律一致。

圖6 送風(fēng)式管內(nèi)特征線上壓力及速度量化值

圖7為送風(fēng)式管路支管共用出口處的速度矢量圖,可以看到，由于擋板采取了倒圓弧設(shè)置形式，氣流得到了良好疏導(dǎo)，但同時也能較清晰地發(fā)現(xiàn)支管氣流與主管氣流共用運動通道會導(dǎo)致支管氣流運動阻力增大。

圖7 送風(fēng)式管路共用出口處速度矢量圖

2.2 吸風(fēng)式管路

圖8為吸風(fēng)式管路中心截面壓力及速度云圖。由圖8可以看到，由于在共用出口前加置了活動擋板，管路核心結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，管路通過支管與大氣相通，因此在鼓風(fēng)機(jī)作用下，管內(nèi)均為負(fù)壓，且兩支管口負(fù)壓值明顯高于送風(fēng)式管路，進(jìn)而在兩支管口生成更大的縱向速度。

圖8 吸風(fēng)式管路中心截面壓力及速度云圖

圖9為吸風(fēng)式管路管內(nèi)特征線上(兩支管之間區(qū)域，空間直線端點坐標(biāo)為(288，10，0)～(1 300，10，0))壓力及縱向速度量化值。由圖9可以看到:共用出口及支管處宏觀特征與圖6送風(fēng)式管路一致，均在當(dāng)前等距結(jié)構(gòu)下呈現(xiàn)出壓力-速度耦合對稱分布的特點；同時與圖8結(jié)果類似，特征線上相同位置處的負(fù)壓及速度值均大于送風(fēng)式管路。

圖9 吸風(fēng)式管內(nèi)特征線上壓力及速度量化值

圖10為吸風(fēng)式管路兩支管共用出口處的速度矢量圖，可以看到主管主要被支管氣流填充。

圖10 吸風(fēng)式管路支管共用出口處的速度矢量圖

結(jié)合流體質(zhì)量守恒定律及仿真結(jié)果分析可知:送風(fēng)式管路出口處平均氣流流量為467 m3/h、吸風(fēng)式管路出口處平均氣流流量為320 m3/h，說明送風(fēng)式支管氣流輸送量為147 m3/h、吸風(fēng)式支管氣流輸送量為320 m3/h，同時也說明了吸風(fēng)式結(jié)構(gòu)更有利于負(fù)壓利用。

表1為送風(fēng)式及吸風(fēng)式管路兩個支管的平均速度及平均壓力。在鼓風(fēng)機(jī)功率相同條件下，送風(fēng)式兩個支管速度值相差0.34%、負(fù)壓相差0.60%；吸風(fēng)式兩個支管速度相差0.24%、負(fù)壓相差0.46%，可見兩種管路支管數(shù)據(jù)非常接近，均能較好地滿足支管鋁箔碎屑收集吸力均勻的要求。同時可以看到：吸風(fēng)式結(jié)構(gòu)負(fù)壓約為送風(fēng)式結(jié)構(gòu)的4倍，速度約為2倍，動力優(yōu)勢明顯。

表1 送風(fēng)式和吸風(fēng)式管路兩支管的平均速度及平均壓力

3 結(jié)論

本文使用CFD方法計算了鋁箔碎屑收集裝置的壓力-速度耦合流場，重點分析了使用不同氣流輸送方式時的物理量分布特征及對支管吸力的影響規(guī)律。得出以下結(jié)論：

(1) 在等距管路中，使用送風(fēng)式與吸風(fēng)式動力均可滿足鋁箔碎屑收集時支管吸力均勻的要求。

(2) 在風(fēng)機(jī)功率相同的條件下，吸風(fēng)式裝置支管負(fù)壓值為送風(fēng)式的4倍，速度為送風(fēng)式的2倍，說明吸風(fēng)式結(jié)構(gòu)負(fù)壓利用率更高，具有更高的鋁箔碎屑收集效率。

(3) 在整體結(jié)構(gòu)上，吸風(fēng)式裝置由于碎屑要經(jīng)過風(fēng)機(jī)，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及成本要高于送風(fēng)式裝置，因此應(yīng)根據(jù)鋁箔加工需求及生產(chǎn)條件進(jìn)行合理選擇。