劉 躍,常玲玲,管小榮,徐 誠(chéng)

(1.陜西國(guó)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)

鋁箔一般指厚度小于0.1 mm的金屬鋁薄片,目前廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、電子等行業(yè)中。我國(guó)鋁箔產(chǎn)量從2008年開(kāi)始便居全球首位,市場(chǎng)占比為56.7%[1]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足發(fā)展,我國(guó)鋁箔生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備已逐步系統(tǒng)化、完善化,形成了專門的軋制、涂層、開(kāi)卷、分切等模塊[2]。其中,分切模塊主要使用鋁箔剪切機(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。學(xué)者們對(duì)剪切機(jī)關(guān)鍵零部件如碟形刀、液壓系統(tǒng)等[3,4]進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化,這些成果對(duì)改善鋁箔生產(chǎn)質(zhì)量起到了良好的促進(jìn)作用,但觀察鋁箔實(shí)際剪切流程可以發(fā)現(xiàn),剪切機(jī)工作時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生碎屑,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)由于碎屑累計(jì)會(huì)明顯影響鋁箔分剪質(zhì)量?，F(xiàn)有碎屑收集裝置多對(duì)應(yīng)單碟形刀設(shè)計(jì),針對(duì)雙碟形刀的設(shè)計(jì)成果較少[5],且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺陷。

管內(nèi)流動(dòng)是常見(jiàn)的介質(zhì)輸送形式,由于管內(nèi)結(jié)構(gòu)及尺寸的變化,在管流中常會(huì)形成負(fù)壓[6,7]。本文擬根據(jù)鋁箔剪切機(jī)工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種由支管負(fù)壓產(chǎn)生吸力,將碎屑吸入并通過(guò)主管進(jìn)行收集的管路系統(tǒng)[8,9]。文中采用目前工程中常用的計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics,CFD)方法[10-12]對(duì)不同管路設(shè)計(jì)時(shí)的壓力-速度耦合流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算,在分析擋板改變管內(nèi)壓力-速度分布規(guī)律及流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析不同管路結(jié)構(gòu)對(duì)支管附近速度及吸力的影響規(guī)律,并最終給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,為鋁箔剪切機(jī)設(shè)備改進(jìn)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 鋁箔碎屑收集管模型

圖1為帶單碟形刀的鋁箔剪切機(jī)工作示意圖,碟形刀位于鋁箔卷軸一側(cè),開(kāi)卷后的鋁箔主要通過(guò)碟形刀來(lái)完成分切工作,此流程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生碎屑,圖1中可看到收集裝置處理碎屑的結(jié)構(gòu),碎屑寬度為2～4 mm,單管徑為50 mm。圖2為目前常用的雙碟形刀鋁箔剪切機(jī),雙碟形刀切割具有適用范圍廣、切割效率高的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 單碟形刀及碎屑收集實(shí)物圖

圖2 雙碟形刀實(shí)物圖

本文設(shè)計(jì)的的鋁箔剪切機(jī)碎屑收集管樣品如圖3(a)所示,該管路由進(jìn)口、出口及2個(gè)支管P1、P2組成,進(jìn)口、出口直徑設(shè)計(jì)為83 mm,中間主管直徑為65 mm,2個(gè)支管直徑為34 mm。為了適應(yīng)剪切機(jī)碟形刀的工作位置,管路進(jìn)口截面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),延出口方向?yàn)閤軸正方向,第1個(gè)支管軸線與主管軸線交點(diǎn)坐標(biāo)為(265 mm,0 mm,0 mm),第2個(gè)支管軸線與主管軸線交點(diǎn)坐標(biāo)為(1 265 mm,0 mm,0 mm)。為了便于設(shè)置及觀察,將收集管樣品外置于卷軸前部,管內(nèi)氣流動(dòng)力由進(jìn)口處鼓風(fēng)機(jī)提供,氣流輸送功率參考常用工業(yè)吸塵器功率進(jìn)行設(shè)置[13],文中取2.2 kW,對(duì)應(yīng)氣流輸送量為320 m3/h。

圖3 鋁箔碎屑收集管模型及數(shù)值網(wǎng)格圖

本文三維管路計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3(b)所示,網(wǎng)格整體為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,為了充分考慮壁面作用對(duì)氣流流態(tài)的影響,單獨(dú)劃分近壁區(qū)網(wǎng)格,并對(duì)較關(guān)心的支管處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。使用Fluent軟件求解不可壓流體Navier-Stokes(N-S)方程,湍流模型使用對(duì)旋流模擬較好的Re-normalisation group(RNG)k-ε模型,方程離散采用二階迎風(fēng)格式[14]。

1.2 模型驗(yàn)證

本文為準(zhǔn)定常計(jì)算,為了獲得可信的分析數(shù)據(jù),記錄指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2出口中心點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù),當(dāng)方程殘差達(dá)到10-5并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)束。此外,為了驗(yàn)證所選仿真方法的可靠性,使用流量計(jì)測(cè)量了不帶擋板時(shí)2個(gè)支管的空氣流量,并將仿真計(jì)算的支管口平均速度值與測(cè)量的流量換算值進(jìn)行對(duì)比。P1支管的仿真結(jié)果與測(cè)量值為(3.55 m/s,3.38 m/s),P2支管數(shù)據(jù)為(-5.9 m/s,-5.62 m/s),可見(jiàn)仿真結(jié)果與測(cè)量值誤差控制在5%左右,這也驗(yàn)證了本文仿真方法的可行性。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 擋板作用分析

吸入鋁箔碎屑需要支管處能夠產(chǎn)生足夠的吸力,這便要求支管內(nèi)部產(chǎn)生有利的負(fù)壓,而負(fù)壓分布取決于局部壓力-速度耦合變化結(jié)果。為了初步獲得帶2支管的管路內(nèi)氣流流態(tài)特征及探討改變管內(nèi)壓力分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,本文首先計(jì)算了分別設(shè)置1個(gè)擋板及2個(gè)擋板結(jié)構(gòu)時(shí)的管路流場(chǎng),具體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 1個(gè)擋板及2個(gè)擋板管路設(shè)計(jì)圖

2個(gè)支管與主管相貫連接,在支管前部設(shè)置半月形擋板,見(jiàn)圖4黃色區(qū)域。為了簡(jiǎn)化模型,不考慮擋板厚度影響,擋板中軸線與支管邊緣線重合。文中支管前擋板計(jì)算高度h1=32.5 mm,如圖4(a)所示,為中間管半徑值。后文中這2種設(shè)計(jì)方式分別命名為1個(gè)擋板型、2個(gè)擋板型。為了獲得2種管路的內(nèi)部流態(tài)及工作特征,使用前述仿真方法分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,文中規(guī)定氣流方向?yàn)檠幼鴺?biāo)軸正向取正值,由進(jìn)氣口面積、鼓風(fēng)機(jī)流量換算可知,管路進(jìn)口速度為u(16.44 m/s,0 m/s,0 m/s),此外,P1、P2支管口設(shè)置為壓力進(jìn)口,出口處設(shè)置為壓力出口,管壁設(shè)置為固體邊界。

圖5給出了1個(gè)擋板型及2個(gè)擋板型管路中心截面的壓力分布。如圖5(a)所示,設(shè)置1個(gè)擋板時(shí),2個(gè)支管附近均產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域,且第1個(gè)支管負(fù)壓區(qū)域及負(fù)壓值大于第2個(gè)支管比較值。如圖5(b)所示,設(shè)置2個(gè)擋板時(shí),在第2個(gè)支管附近形成了明顯的負(fù)壓區(qū)域,但第1個(gè)支管附近并沒(méi)有形成預(yù)期負(fù)壓,并且2個(gè)擋板間形成了1個(gè)壓力較高的區(qū)域。

圖5 管路壓力云圖

特征線L1為能反映管內(nèi)壓力及速度物理量分布特征的空間直線,2端點(diǎn)坐標(biāo)為(0 mm,-20 mm,0 mm)、(1 950 mm,-20 mm,0mm)。圖6給出了設(shè)置1個(gè)擋板及2個(gè)擋板時(shí)管內(nèi)延特征線L1上的壓力及速度量化值。整體分析可以發(fā)現(xiàn),管內(nèi)隨截面變化呈現(xiàn)壓力高則速度低、壓力低則速度高的對(duì)稱式耦合流態(tài),這符合流體的伯努利定律。具體到圖6(a)中的1個(gè)擋板型管路,由于擋板減小過(guò)流面積導(dǎo)致速度值升高,進(jìn)而在第1個(gè)支管處出現(xiàn)了較大負(fù)壓值,隨后壓力上升,在第2個(gè)支管處,由于氣流速度值大于管外空氣速度,產(chǎn)生了量值較小的負(fù)壓。同時(shí)由圖6(b)結(jié)果可知,簡(jiǎn)單設(shè)置第2個(gè)擋板對(duì)管內(nèi)流態(tài)產(chǎn)生顯著影響,第1個(gè)支管附近雖然速度增大,但并沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的負(fù)壓區(qū)域,且2個(gè)支管之間的區(qū)域出現(xiàn)了速度快速降低的現(xiàn)象,這些現(xiàn)象均說(shuō)明第2個(gè)擋板對(duì)第1個(gè)擋板產(chǎn)生了不利影響。

為深入研究不同管路結(jié)構(gòu)對(duì)支管氣流的影響,圖7給出了2個(gè)支管附近的縱向(y方向)速度v分布云圖及流線圖。

結(jié)合圖6分析可知,1個(gè)擋板時(shí)第1個(gè)支管附近為負(fù)壓,這時(shí)氣流流向管內(nèi),v為-25.83 m/s,可以產(chǎn)生吸力,同時(shí)第2個(gè)支管附近負(fù)壓值較小,v值為-4.04 m/s;設(shè)置2個(gè)擋板時(shí),在第2個(gè)支管附近形成負(fù)壓,氣流方向?yàn)榱飨蚬軆?nèi),縱向速度為-34.73 m/s。需要注意的是,圖7(c)第1個(gè)支管附近,可以看到1個(gè)較大的回流區(qū),這是導(dǎo)致圖6(b)中2個(gè)支管之間區(qū)域壓力為正、速度降低的主要原因,同時(shí)也導(dǎo)致了第1個(gè)支管氣流方向朝外,縱向速度為14.01 m/s,無(wú)法產(chǎn)生吸力。文中為了便于比較,將不同管路結(jié)構(gòu)時(shí)仿真獲得的支管口縱向速度值列于表1中。

圖6 特征線L1上的壓力及速度沿程分布圖

圖7 支管附近縱向速度及流線圖

表1 不同管路結(jié)構(gòu)時(shí)支管縱向速度比較表 (m·s-1)

通過(guò)以上分析可知,設(shè)置擋板對(duì)改變局部壓力分布是有效果的,但簡(jiǎn)單設(shè)置1個(gè)擋板時(shí),第2個(gè)支管產(chǎn)生的吸力較小。設(shè)置2個(gè)擋板時(shí),第2個(gè)擋板會(huì)對(duì)第1個(gè)擋板區(qū)域產(chǎn)生阻礙作用,形成較大渦旋回流區(qū),導(dǎo)致第1個(gè)支管附近無(wú)負(fù)壓,無(wú)法實(shí)現(xiàn)2個(gè)支管均產(chǎn)生吸力的設(shè)計(jì)目標(biāo),需要優(yōu)化改進(jìn)。

2.2 管路優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)支管附近分別設(shè)置擋板無(wú)法同時(shí)形成有效負(fù)壓的問(wèn)題,文中采用2個(gè)支管共用1個(gè)負(fù)壓區(qū)的方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。提出的2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖8所示,圖8(a)中為連通型結(jié)構(gòu),具體為在第1個(gè)支管前部設(shè)置擋板(黃色區(qū)域),并連通至第2個(gè)支管附近(紅色區(qū)域),2個(gè)支管共用1個(gè)出口與主管連接;圖8(b)中為等距型結(jié)構(gòu),具體為將第1個(gè)和第2個(gè)支管之間區(qū)域封閉,在兩者等距位置設(shè)置共用出口,并在出口位置處加置擋板(藍(lán)色區(qū)域)。2種結(jié)構(gòu)支管前半月形擋板高度h1仍為32.5 mm,等距型共用出口處設(shè)置擋板高度h2為10 mm,見(jiàn)圖8(b)。

圖8 優(yōu)化后管路設(shè)計(jì)圖

圖9給出了連通型及等距型管路中心截面的壓力分布云圖,可以看到2種改進(jìn)管路支管的共用出口及支管區(qū)域內(nèi)均生成了明顯負(fù)壓,但仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)圖9(a)中連通型的2個(gè)支管內(nèi)負(fù)壓值存在明顯差異,而圖9(b)中等距型的2個(gè)支管內(nèi)負(fù)壓值非常接近。類似的結(jié)果同樣出現(xiàn)在圖10支管縱向速度分布圖中,連通型結(jié)構(gòu)雖然在2個(gè)支管處均產(chǎn)生向內(nèi)的流速,但兩者數(shù)值差異明顯,其具體值分別為-13.33 m/s、-22.95 m/s。這意味著連通型結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但仍存在2個(gè)支管口產(chǎn)生的吸力不均勻的缺陷。同時(shí)可以看到,等距型結(jié)構(gòu)支管縱向速度基本相同,其具體值為-17.02 m/s、-16.59 m/s,這意味著2個(gè)支管口可以產(chǎn)生均勻吸力,能夠滿足鋁箔碎屑收集任務(wù)要求。支管附近縱向速度分布圖見(jiàn)圖10。為了便于比較,優(yōu)化后2種管路支管處縱向速度值列于表1中。

圖9 管路壓力云圖

圖10 支管附近縱向速度分布圖

特征線L2為空間直線,端點(diǎn)坐標(biāo)位置為(0 mm,5 mm,0 mm)、(1 950 mm,5 mm,0 mm)。為了深入分析連通型及等距型結(jié)構(gòu)的管路流態(tài)特征,圖11給出了2種管路特征線L2上的壓力及速度量化分布。

圖11 特征線上的壓力及速度沿程分布圖

首先,整體來(lái)看,2種結(jié)構(gòu)下流場(chǎng)同樣呈現(xiàn)出對(duì)稱式壓力-速度耦合分布特征。其次,由圖11(a)中連通型結(jié)果可以看到,在2個(gè)支管共用出口區(qū)域出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓區(qū),但該負(fù)壓作用于第1個(gè)支管區(qū)域的比例小于距離較近的第2個(gè)支管區(qū)域,這是造成2個(gè)支管口處“吸力”不均勻的主要原因;由圖11(b)中等距型結(jié)果可以看到,位于支管中間位置的共用出口處形成總的負(fù)壓,由于距離相近,2個(gè)支管處負(fù)壓值呈現(xiàn)基于出口軸線對(duì)稱的分布特征,從而獲得可滿足工業(yè)需要的支管口均勻分布的氣流速度值及吸力。此外,作為對(duì)比,圖11(b)中還給出了等距型管路共用出口處擋板在高度h2=10 mm基礎(chǔ)上分別增減5 mm(h2=5 mm、h2=15 mm)時(shí)L2直線的壓力-速度分布?？梢钥吹?隨著擋板高度增加,管內(nèi)負(fù)壓、支管口速度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。增大及減小擋板高度時(shí)支管口的速度值同樣列于表1中,為了便于比較,將h2=5 mm等距型管路命名為等距1,h2=10 mm等距型管路命名為等距2,h2=15 mm等距型管路命名為等距3,可以看到,隨著擋板高度的增加,支管口速度差異呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2.3 等距型管路支管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

管路局部形狀對(duì)氣流具有重要的導(dǎo)向作用,2.2節(jié)中等距型管路為支管與主管垂直連接。由圖9(b)中等距型管路壓力云圖可以看到,在支管拐角處形成區(qū)別于周圍的負(fù)壓區(qū),這說(shuō)明直角結(jié)構(gòu)對(duì)氣流產(chǎn)生了阻礙作用。為了進(jìn)一步優(yōu)化支管與主管的連接方式,提高負(fù)壓使用效率,文中比較了設(shè)置傾斜支管與圓角支管時(shí)的流場(chǎng)特征,出口處擋板h2=10 mm。其中,傾斜支管如圖12(a)所示,2個(gè)支管軸線與主管軸線呈30°夾角;圓角支管如圖12(b)所示,支管與主管間為倒圓角,為了便于比較,圓角切線與主管軸線夾角同樣為30°。

圖12 不同支管設(shè)計(jì)圖

圖13給出了直角支管、傾斜支管、圓角支管時(shí)的流場(chǎng)局部流線圖,當(dāng)支管與主管呈90°夾角時(shí)在支管后方區(qū)域①形成了較大的低速回流區(qū),阻礙氣流前行;由圖13(b)、圖13(c)可以看到,傾斜支管與圓角支管均改善了氣流路徑,形成的旋渦區(qū)域明顯減小;仔細(xì)比較傾斜支管與圓角支管結(jié)果可發(fā)現(xiàn)圓角設(shè)置比傾斜設(shè)置具有更好的導(dǎo)向作用,這在圖13中區(qū)域②支管側(cè)壁區(qū)域、區(qū)域③支管下部區(qū)域更明顯。經(jīng)計(jì)算,傾斜支管時(shí)2個(gè)支管口縱向速度值分別為-18.21 m/s、-17.75 m/s,圓角支管時(shí)數(shù)值為-18.66 m/s、-18.44 m/s,與表1的等距2型直角支管數(shù)據(jù)對(duì)比可知,支管形狀優(yōu)化對(duì)提升支管口氣流速度及吸力是有益的,且倒圓角形式表現(xiàn)更好。

圖13 局部流線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

為了利用管流負(fù)壓產(chǎn)生吸力,解決鋁箔剪切機(jī)碎屑收集問(wèn)題,文中使用CFD方法計(jì)算了不同管路結(jié)構(gòu)時(shí)的壓力-速度耦合流場(chǎng)。基于理論分析探討了使用擋板改變局部壓力-速度的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上給出雙支管的碎屑收集管路優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠產(chǎn)生均勻氣流速度及吸力,可滿足鋁箔工業(yè)需求。通過(guò)本文數(shù)值計(jì)算主要得出以下結(jié)論:

(1)設(shè)置2個(gè)擋板時(shí),在第2個(gè)支管處可形成可利用的負(fù)壓及向內(nèi)的吸力;第2個(gè)擋板會(huì)對(duì)第1個(gè)支管區(qū)域產(chǎn)生阻礙作用,形成大的渦旋回流區(qū),導(dǎo)致第1個(gè)支管附近無(wú)負(fù)壓分布,無(wú)法形成吸力。

(2)連通型管路能夠形成支管共用的負(fù)壓區(qū)域,在2個(gè)支管口均形成向內(nèi)的吸力,但由于2個(gè)支管距共用出口距離不同,導(dǎo)致支管口氣流流速相差72.17%,吸力不均勻,無(wú)法滿足工業(yè)需要。

(3)等距型管路2個(gè)支管可平均利用管內(nèi)負(fù)壓,支管口氣流速度差異2%左右,吸力較均勻。此外,在等距型管路結(jié)構(gòu)中,隨著共用出口擋板高度的增加,管內(nèi)負(fù)壓及支管口吸力均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),并且支管口速度差異呈現(xiàn)進(jìn)一步縮小的趨勢(shì)。

(4)在等距型管路中,設(shè)置傾斜支管及圓角支管均可對(duì)氣流產(chǎn)生良好的導(dǎo)向作用,具體表現(xiàn)為氣流變向時(shí)產(chǎn)生的渦流區(qū)減小,支管縱向速度提高,其中傾斜支管時(shí)縱向速度比直角支管時(shí)提高了7%左右,圓角支管時(shí)提高了9.64%左右。