手持式砂輪切割機粉末吸收裝置開發(fā)

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 機械工程學院，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 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

采用FLUENT仿真軟件對所設計的粉塵吸收裝置內部含塵氣流流動規(guī)律以及流場分布規(guī)律進行了分析研究，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仿真軟件調節(jié)出口真空度，通過分析仿真結果可確定最佳真空度值。研究結果表明，仿真結果對裝置的優(yōu)化設計和實際運行具有一定的理論指導作用。

砂輪切割機；粉塵吸收裝置；計算流體動力學(CFD)；數(shù)值模擬

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，我國的工業(yè)化進程加快，大量機械加工設備及電動工具得到了廣泛的應用。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化為尺寸、形狀及精度符合加工要求的成品的同時，還會產生大量的粉塵、噪聲、固體廢棄物等加工副產品[1]。手持式砂輪切割機便屬于此類電動工具，且被廣泛應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生大量粉塵，致使工作環(huán)境空氣質量下降，嚴重威脅到操作人員的身體健康。

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

1 計算流體動力學簡介

1.1計算流體動力學基本概念

計算流體動力學(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物理現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，CFD分析常應用于產品的概念設計、詳細設計和改進設計階段，目前已涵蓋了汽車和航空業(yè)的空氣動力學分析、內部流場分析、熱交換分析、流體機械仿真等領域[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)學式進行離散化；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，廣泛應用于航空航天、旋轉機械、高速列車、汽車、能源及冶金領域，軟件采用了多種求解方法以及多重網(wǎng)格加速收斂技術，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模型等[5]。

2 樣機結構設計

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罩，使用激光切割的PMMA板材將開放側封閉，并設置導向裝置以便活動防護板滑動?；顒臃雷o板也由PMMA板加工而成，同時開設有小孔，可以利用螺釘鎖定活動防護板的工作位置。除塵防護罩結構如圖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—活動防護板；9—滾花高頭螺釘

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

3.1物理模型的建立

選擇除塵防護罩工作時，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，對應的圓周可設置為移動壁面，以等效砂輪的切割旋轉運動；二維模型的底面可設置為速度入口，模擬含塵氣流進入除塵防護罩的情況；右上方的矩形平面可設置為壓力出口，將壓力值設為負值，模擬吸塵的效果；其他部分設置為靜止壁面。采用四邊形結構網(wǎng)格對模型進行網(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

根據(jù)雷諾數(shù)Re的定義公式，在除塵防護罩內大部分粉塵處于湍流狀態(tài)，本文采用在標準k-ε模型基礎上修改而來的RNGk-ε雙方程湍流模型，同時進行以下假設：(1)防護罩內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(體積分數(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)生器所能產生的真空度；移動壁面作圓周運動，轉速為11 000r/min；靜止壁面為默認設置。

b.離散相。設置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]。

將入口設為通過，出口設為逃逸，其他壁面均設為反彈。

4 仿真結果分析

二維模型求解收斂后，仿真結果如圖4～7所示。圖4、圖5分別給出了模型內的速度、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，可認為砂輪運轉會對內部流場產生影響。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，再次進行迭代求解，得到如圖7(b)所示的模擬結果。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置的不同，使所得到的仿真結果出現(xiàn)差異的這種情況可以看出，出口處的真空度應盡量取得大一些。但過大的真空度也會提高對相關設備的要求，使成本上升。因此在進一步的研究中可以利用仿真與實際實驗相結合的方法，確定所需真空度的最佳值，使整套裝置達到最佳性價比。

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，但效果還遠未達到最佳。軟件仿真及樣機試切結果都說明了這一問題。由于單個真空發(fā)生器所產生的真空度有限，因此在進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，在除塵防護罩內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，研究結果表明,仿真結果對裝置的優(yōu)化設計和運行情況分析具有一定的理論指導作用?？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流場分析技術及應用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012.

[3] 周俊波,劉洋.FLUENT 6.3流場分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011.

[4] 姚征,陳康民.CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學學報,2002,24(2):137-144.

[5] 溫正，石臣良，任毅如. 流體計算應用教程[M]. 北京：清華大學出版社, 2009.

[6] 劉海,李彩亭,曾光明，等.SCX型脫硫除塵器內部氣固兩相流場數(shù)值模擬[J].環(huán)境工程學報,2012,6(8):2736-2744.

[7] 于勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社,2008.

[8] Ghuaha T G, Jolius Gimbunb, Thomas S Y Choonga. A CFD study of the effort of cone dimensions on sampling aerocyclones performance and hydrodynamics[J]. Powder Technology, 2006,16(2):126-132.

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)設計。

X701.2

A

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