薄膜生產(chǎn)線熱風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

王建，陳東杰，黃永生，馬云華

(1.北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，北京 100081；2.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

薄膜生產(chǎn)線熱風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

王建1，陳東杰1，黃永生2，馬云華2

(1.北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，北京 100081；2.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

熱風(fēng)系統(tǒng)給風(fēng)場的穩(wěn)定性和均勻性對薄膜生產(chǎn)造成關(guān)鍵影響。為了研究現(xiàn)有薄膜熱風(fēng)系統(tǒng)中的空氣流動情況，本文采用數(shù)值模擬的方法，在常溫常壓環(huán)境和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min條件下，計算得到了系統(tǒng)組件在工作過程中的風(fēng)速和風(fēng)壓的流場情況，并做了分析。研究結(jié)果表明：氣流在風(fēng)箱中運動帶有較強(qiáng)烈的湍動，并在風(fēng)箱盡頭的壁面產(chǎn)生了回旋，中間氣墊層的速度分布并不均勻，氣墊層的速度偏差最大達(dá)到了5.8 m/s，中間氣墊層的壓力分布也不均勻，距離進(jìn)風(fēng)端越遠(yuǎn)壓力越大，氣墊層的壓力最大偏差達(dá)到37 Pa，斜向孔以及風(fēng)箱之間的間隔對氣墊層的速度和壓力分布有一定影響。

熱風(fēng)系統(tǒng)；氣墊層；流場；風(fēng)箱；數(shù)值模擬

近十年來，國際上雙軸定向技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，大量的國外薄膜生產(chǎn)線進(jìn)入我國，主要是德、日、法國的各大公司，為了獲取一定的市場份額，不惜投入大量的人力、物力、財力，通過技術(shù)創(chuàng)新，不斷提高其技術(shù)水平，使市場競爭演變成了技術(shù)水平的競爭，目前大型國產(chǎn)雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的開發(fā)和生產(chǎn)已具備了可能性和必要性，是國產(chǎn)線發(fā)展的最好時機(jī)[1]。雙軸定向拉伸，是使線性高聚物定向的重要手段，它是獲得大寬度、極小厚度、高品質(zhì)薄膜的最佳方法。雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線是一套由四十多臺套標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組成的一種大型高度自動化裝置，其工藝流程為：原料處理系統(tǒng)→擠出計量系統(tǒng)→鑄片系統(tǒng)→雙向拉伸系統(tǒng)→薄膜表面處理系統(tǒng)→薄膜卷取系統(tǒng)→分切系統(tǒng)[2]。在雙向拉伸系統(tǒng)中，鑄片經(jīng)過縱向拉伸后隨即進(jìn)入橫向拉伸機(jī)進(jìn)行拉幅操作[3]，橫向拉伸機(jī)的溫度場是通過熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)的，如何形成一個準(zhǔn)確而穩(wěn)定的溫度場，使薄膜能穩(wěn)定地、合理地吸、放熱，是加工高分子材料的技術(shù)關(guān)鍵[2]，因此有必要對薄膜生產(chǎn)線的熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以期對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和提高。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 幾何模型

按照熱風(fēng)系統(tǒng)原始圖紙采用計算機(jī)輔助設(shè)計CAD軟件進(jìn)行1：1重新建模，為方便計算去除了筋板、肋條、螺母、螺栓等小零件和倒角、螺紋孔等結(jié)構(gòu)。圖1是簡化后的熱風(fēng)系統(tǒng)的三維立體圖。熱風(fēng)系統(tǒng)采用了四個風(fēng)箱，上下對吹的結(jié)構(gòu)，由一個風(fēng)機(jī)提供風(fēng)源。風(fēng)箱總長4 050 mm，寬400 mm，高550 mm，壁厚1 mm，出風(fēng)孔直徑14 mm，每個風(fēng)箱上有出風(fēng)孔4排，排間距為100 mm，列間距為90 mm，每排左右錯位20 mm，每個風(fēng)箱上的出風(fēng)孔共100個（4×25）。圖中，前端上下兩個風(fēng)箱有兩排孔采用了斜向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)風(fēng)向后面吹。

1.2 物理模型

圖1 簡化后的熱風(fēng)系統(tǒng)的三維立體圖

為了便于分析和計算，根據(jù)實際的工藝過程做出假設(shè)如下：（1）流體流動為定常流動，與時間無關(guān)，且沒有與時間相關(guān)的干擾或擾動因素；（2）空氣的相關(guān)特性參數(shù)如下：空氣密度為1.2 kg/m3，絕熱指數(shù)為1.399，分子質(zhì)量為0.028 96 kg/mol；空氣采用動態(tài)黏度，在2×10-5Pa·s左右隨溫度發(fā)生一定變化；比熱容在1 000 J/（kg·K）左右隨溫度發(fā)生一定變化；導(dǎo)熱系數(shù)在0.05 W/（m·K）左右隨溫度發(fā)生一定變化；（3）風(fēng)箱外壁為絕熱條件，壁面無摩擦；（4）流體初始壓力溫度恒定為常溫常壓，所以初始系統(tǒng)溫度為常溫20 ℃，壓力為常壓101 325 Pa。根據(jù)上述假設(shè)條件，采用描述氣體流動的控制方程包括連續(xù)性方程、運動方程和能量方程，以及本構(gòu)方程等，這里不再詳細(xì)列出。

2 數(shù)值計算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計算。采用自適應(yīng)直角坐標(biāo)網(wǎng)格方法。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，初始整體的網(wǎng)格劃分級別設(shè)定為5。風(fēng)箱開孔處尺寸很小，因此進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，以提高計算結(jié)果的精確性。劃分后的系統(tǒng)網(wǎng)格總數(shù)為711 530，其中流體網(wǎng)格數(shù)為468 749。

2.2 邊界條件

根據(jù)實際的工況條件設(shè)定模型的邊界條件。采用了外部分析，選定包圍熱風(fēng)系統(tǒng)的計算區(qū)域大小為：長5.1 m，寬1.2 m，高1.8 m。根據(jù)風(fēng)機(jī)型號（4-72-13系列離心風(fēng)機(jī)）及相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制出的風(fēng)機(jī)的性能曲線。相關(guān)參數(shù)如下：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 600 r/min=167.47 rad/s（順時針轉(zhuǎn)動），壁面粗糙度為0，外界壓力為101 325 Pa，溫度為20 ℃=293.2 K；流動類型設(shè)定為層流和湍流的混合狀態(tài)。本文主要研究的是熱風(fēng)系統(tǒng)在常溫常壓下工作的流場情況，主要目標(biāo)是用以分析風(fēng)箱出風(fēng)后產(chǎn)生的氣墊層的均勻性，因此數(shù)值求解的目標(biāo)以速度和壓力為主。因此求解目標(biāo)定義為速度和壓力。在數(shù)值計算流場時，固體壁面設(shè)為無滑移壁面條件，計算域表面為自由表面。在HPXW9300工作站上完成計算，本案例計算時間為7.5 h左右。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣體流動情況分析

圖2為氣體在熱風(fēng)系統(tǒng)中的流動軌跡圖，可以清楚地看到熱風(fēng)箱氣體的流動狀態(tài)。在風(fēng)機(jī)的一定轉(zhuǎn)速（1 600 r/min）下，氣流通過輪轂吸入風(fēng)箱中，經(jīng)壓縮向上下兩組風(fēng)箱流動，渦旋流動較大，流動形態(tài)復(fù)雜；進(jìn)入風(fēng)箱后近壁面的氣體流動較平穩(wěn)，但仍由于后端氣體推動呈現(xiàn)渦旋流動形態(tài)；從軌跡圖中可以看出風(fēng)箱盡頭的壁面還造成了氣流的回旋，由于是風(fēng)扇提供氣流運動的動力，所以氣流并不是很平順地走完從進(jìn)入風(fēng)箱到從出風(fēng)孔排出的路程，而是帶有著較強(qiáng)烈的湍動。

圖2 熱風(fēng)系統(tǒng)中空氣流動軌跡圖

3.2 氣體流動速度分析

取剖切面做流場分析可以較為全面的了解區(qū)域中速度的整體分布情況。圖3顯示了熱風(fēng)系統(tǒng)中的氣體流動速度場的縱向剖視圖3（a）和橫向剖視圖3（b），縱向剖視面位于穿過前兩個風(fēng)箱第二排出氣孔位置。圖中可以看出，最大速度可達(dá)43.337 m/s；氣流入口處的速度梯度最大，是由于風(fēng)扇產(chǎn)生的湍流造成的；當(dāng)氣流拐入風(fēng)箱后速度梯度變化稍大，之后漸漸平緩；在風(fēng)箱最末端的速度趨于零；而在出風(fēng)孔處速度變大。氣體以較高的速度從上下風(fēng)箱出風(fēng)孔中流出，在風(fēng)箱中間位置產(chǎn)生一個較為均勻的氣墊層，此氣墊層用于薄膜的加熱保溫等，因此氣墊層的均勻性需要保證。橫向剖視面位于上風(fēng)箱近出氣孔位置。可以看出，在出氣孔位置速度梯度較大，由于湍流的原因使出氣孔處的流速變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)。由于前面兩個風(fēng)箱有兩排出氣孔采用了斜面，所以可以從橫向剖視圖中看出變化情況，斜面出氣孔產(chǎn)生的速度梯度更大一些。

圖3 熱風(fēng)系統(tǒng)中的氣體流動速度場

為了進(jìn)一步看出實際的變化及速度值，單獨取了各排孔中心連線上的速度值（連線位置如圖1(a)所示）進(jìn)行定量的分析。對各排孔中心速度值做了曲線圖（如圖4所示）。表1是各排孔中心速度最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢姡髋趴椎乃俣戎档淖兓即嬖诿黠@波動，是由于湍流造成的；但波動變化略有不同，上風(fēng)箱1四排孔中心速度的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差（0.94）最小，其次是下風(fēng)箱1（1.02）、上風(fēng)箱2（1.22）和下風(fēng)箱2（1.42），速度最大差了5.11 m/s；下風(fēng)箱2的整體速度偏大，且波動幅度過大，其最大值達(dá)到了36.71 m/s。

圖4 各排孔中心速度

圖5顯示了上下風(fēng)箱中間面的速度場。中間面是氣墊形成的區(qū)域，此處的速度場要求越均勻越好。從圖中可以看出，在出風(fēng)孔對應(yīng)處的速度較大。由于前兩個風(fēng)箱有兩排出風(fēng)孔是朝里斜面吹風(fēng)的，所以可以看出圖中上面區(qū)域的風(fēng)速略高，且在兩邊有斜向上的速度梯度。

為了定量研究速度的均勻性，在中間面上取了等距的三條線（如圖1(b)所示）來分析速度值的大小偏差情況。圖6顯示了中間面三條線上的速度值變化情況?？梢?，中間氣墊層的速度分布并沒有想象的那么均勻，遠(yuǎn)離出氣孔區(qū)域的速度較小且均勻。出氣孔區(qū)域的速度則波動較大。隨著出氣孔的出現(xiàn)，氣流速度變大，尤其在氣墊層中心線上的出現(xiàn)駝峰，說明速度突升較大；之后隨著遠(yuǎn)離進(jìn)氣端氣流速度有變小趨勢；當(dāng)進(jìn)入無出氣孔區(qū)域時，三條中心線都出現(xiàn)駝峰，說明速度又有突增的過程。與中間線相比，風(fēng)箱1和2區(qū)域的速度波動較小，速度主要集中在2～3 m/s，且距離進(jìn)風(fēng)端越遠(yuǎn)，速度趨于變小。中間線區(qū)域的速度左右有兩個駝峰，波動相對很大，其主要受到了風(fēng)箱1和2之間間隔區(qū)域的影響。同時，圖中幾個最大的駝峰受到了上下風(fēng)箱2的兩排斜向孔的影響。表2給定了三條等距線上的最大最小值及偏差。可見，最中間區(qū)域的最大值最大，偏差也最大。風(fēng)箱2區(qū)域的最大值最小，偏差也最小。速度偏差最大達(dá)到了5.8 m/s。此數(shù)據(jù)結(jié)果也可用以指導(dǎo)薄膜放置位置，為避免駝峰的較大速度產(chǎn)生影響，應(yīng)選擇靠近出氣孔陣列內(nèi)部區(qū)域位置。

表1 各風(fēng)箱出風(fēng)孔中心速度值（m/s）及相關(guān)數(shù)據(jù)

圖5 熱風(fēng)系統(tǒng)中上下風(fēng)箱中間面的氣體流動速度場

圖6 熱風(fēng)系統(tǒng)中上下風(fēng)箱中間面三條等距線的氣體流動速度

3.3 氣體壓力分析

圖7顯示了風(fēng)箱中的氣體壓力場的縱向剖視圖7（a）和橫向剖視圖7（b），縱向剖視面位于穿過前兩個風(fēng)箱第二排出氣孔位置。圖中可以看出，氣流入口處的壓力梯度最大，有負(fù)壓產(chǎn)生，這是由于風(fēng)扇產(chǎn)生的吸力造成的。當(dāng)氣流拐入風(fēng)箱后壓力梯度變化稍大，之后漸漸平緩；下風(fēng)箱壓力比上風(fēng)箱的要大。在出風(fēng)孔處壓力變大，壓力梯度也大。氣體以較高的壓力從上下風(fēng)箱出風(fēng)孔中流出，風(fēng)向外部氣壓明顯比風(fēng)箱內(nèi)的要低很多，趨于常壓。同速度場比較可以看出，壓力場的變化范圍不大，較為均勻。橫向剖視面位于上風(fēng)箱近出氣孔位置。可以看出，風(fēng)扇和出氣孔位置的壓力梯度較大，其他位置壓力很均勻，風(fēng)箱內(nèi)外的壓力相差也不大。

表2 上下風(fēng)箱中間面三條等距線的速度值（m/s）及相關(guān)數(shù)據(jù)

圖7 熱風(fēng)系統(tǒng)中的氣體壓力場

為了進(jìn)一步看出實際的變化及壓力值，單獨取了各排孔中心連線上的壓力值（連線位置如圖1(a)所示）進(jìn)行定量的分析。對各排孔中心壓力值做了曲線圖（如圖8所示）。表3是各排孔中心壓力最大值、最小值和偏差。可見，各排孔的壓力值的變化都存在波動，遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)端的壓力波動較大，是由于湍流造成的；各個風(fēng)箱的波動變化略有不同，上風(fēng)箱1四排孔中心壓力的偏差平均值（194 Pa）最大，其次是下風(fēng)箱1（145 Pa）、下風(fēng)箱2（139 Pa）和上風(fēng)箱2（134 Pa）；上風(fēng)箱1的整體壓力偏大，且波動幅度過大，其最大值達(dá)到了102 946 Pa；上風(fēng)箱的兩排斜向孔出口壓力最小。

圖8 各排孔中心壓力

表3 各風(fēng)箱出風(fēng)孔中心壓力值（Pa）及相關(guān)數(shù)據(jù)

圖9顯示了上下風(fēng)箱中間面的壓力場。中間面是氣墊形成的區(qū)域，此處的壓力場要求越均勻越好。從總體圖觀察可以看出，中間氣墊層的壓力較為均勻；但由于前兩個風(fēng)箱有兩排出風(fēng)孔是朝里斜面吹風(fēng)的，所以可以看出圖中上面一部分區(qū)域的壓力略高。

為了定量研究氣墊層中壓力的均勻性，在中間面上取了等距的三條線（如圖1(b)所示）來分析壓力值的大小偏差情況。圖10顯示了中間面三條線上的壓力值的變化情況?？梢?，風(fēng)箱1區(qū)域的壓力偏大，波動也較大；風(fēng)箱2區(qū)域的壓力偏小，距離進(jìn)風(fēng)端越遠(yuǎn)，壓力越大；中間區(qū)域也有壓力變大的趨勢，這主要是受到風(fēng)箱2斜向孔的影響。表4給定了三條等距線上的最大最小值及偏差?？梢?，風(fēng)箱1區(qū)域的最大值最大，偏差也最大。風(fēng)箱2區(qū)域的最大值最小，偏差也最小。壓力最大偏差達(dá)到37 Pa。

圖9 熱風(fēng)系統(tǒng)中上下風(fēng)箱中間面的氣體壓力場

圖10 熱風(fēng)系統(tǒng)中上下風(fēng)箱中間面三條等距線的氣體壓力

表4 上下風(fēng)箱中間面三條等距線的壓力值（Pa）及相關(guān)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

使用CFD軟件，數(shù)值研究分析了常溫常壓下空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動下進(jìn)入熱風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速和風(fēng)壓流場情況，分析討論了風(fēng)箱出口處風(fēng)速和風(fēng)壓的變化情況，分析討論了上部風(fēng)箱和下部風(fēng)箱中間位置處的風(fēng)速和風(fēng)壓情況。研究結(jié)果表明：①氣流并不是很平順地走完從進(jìn)入風(fēng)箱到從出風(fēng)孔排出的路程，而是帶有著較強(qiáng)烈的湍動，風(fēng)箱盡頭的壁面造成了氣流的回旋。②出氣孔區(qū)域的速度梯度較大，中間氣墊層的速度分布并不均勻，遠(yuǎn)離出氣孔區(qū)域的速度較小且均勻。氣墊層的速度偏差最大達(dá)到了5.8 m/s。③出氣孔區(qū)域的壓力梯度較大，中間氣墊層的壓力分布也不均勻，距離進(jìn)風(fēng)端越遠(yuǎn)壓力越大。氣墊層的壓力最大偏差達(dá)到37 Pa。④風(fēng)箱2的斜向孔以及風(fēng)箱之間的間隔對氣墊層的速度和壓力分布有一定影響。

由速度分布和壓力分布情況，以及流動軌跡的情況可知，氣流排出風(fēng)箱的孔后形成的氣墊層不是十分均勻，需要改變風(fēng)箱結(jié)構(gòu)、孔徑、孔的排布等來進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)對速度和壓力場的分析可知，為提高氣墊層的均勻性，還需對設(shè)備結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的改進(jìn)?？煽紤]從以下幾個方面對風(fēng)箱結(jié)構(gòu)做改進(jìn)：①設(shè)計矩形風(fēng)箱為梯形，以減小風(fēng)箱尾端的渦旋流及速度死區(qū)；②改變孔的大小及排布，增加孔的列數(shù)至風(fēng)箱尾端；③縮小風(fēng)箱1和2之間的間隔。

[1] 趙桂旭. 聚酯薄膜生產(chǎn)線的技術(shù)創(chuàng)新[J]. 塑料科技，2012，40(3)： 86～88.

[2] 唐必連，黃建津，譚海疆. 大型雙軸定向薄膜生產(chǎn)線國產(chǎn)化分析[J].絕緣材料，2004，37(5)： 55～57.

[3] 馮樹銘. 雙向拉伸PET薄膜生產(chǎn)線技術(shù)（續(xù)四）[J]. 聚酯工業(yè)，2011，24(4)： 59～61.

Abstract:The stability and uniformity of hot air system wind field cause critical impact on film production. In order to study the air f ow of existing f lm hot air system, we use numerical simulation method, under conditions of normal temperature environments and fan speed of 1600 r/min, calculate the f ow field of wind speed and air pressure of the system components during operation, and make analying. The results show that: the wind f ows in the wind box motion with a relatively strong turbulence, and has a whirling at the end wall of the dir box. The speed of the intermediate cushion layer is not evenly distributed, the Max. deviation of the speed is 5.8 m/s, the pressure of the intermediate cushion layer is not evenly distributed either, The longer the distance from inlet side, the greater the pressure, the Max. deviation of the pressure reaches 37 Pa. Oblique holes and spacing between air boxes have a certain effect on the speed and pressure distribution of cushion layer.

NNuummeerriiccaall ssiimmuullaattiioonn ooff hhoott aaiirr ssyysstteemm of f lm production linee

Numerical simulation of hot air system of f lm production line

Wang Jian, Chen Dongjie, Huang Yongsheng, Ma Yunhua
(1. School of chemical engineering & environment, Beijing Institute of Technology, 100081 Beijing, China;2. Guilin Electrical Equipment Scientif c Research Institute Co., Ltd., Guilin 541004, Guangxi, China)

hot air system; cushion layer; f ow f eld; wind box; numerical simulation

TQ320.663

1009-797X(2015)08-0036-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.08.006

(XS-04)

王建（1984-），男，講師，畢業(yè)于北京化工大學(xué)，現(xiàn)主要從事高分子材料先進(jìn)制造相關(guān)研究工作。

2014-11-13