煙草包裝機(jī)CFD仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊旭東，楊 海，孫 棟，胡淵富

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 引言

煙草包裝機(jī)是煙草物流線中的一部分，用于煙包進(jìn)行熱收縮包裝處理，整個(gè)煙草物流系統(tǒng)中，包裝效率是衡量整個(gè)煙草物流系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，包裝機(jī)對(duì)煙包的包裝效率有很大的影響，其中影響包裝效率的因素有很多，包括溫度、速度及煙包大小等[1]，但是溫度是影響包裝效率最重要的因素。在國(guó)內(nèi)早期包裝機(jī)的溫度場(chǎng)分析由于計(jì)算機(jī)資源的限制，在CFD的大型分析應(yīng)用中相對(duì)較少，大多是通過(guò)自主經(jīng)驗(yàn)和物理定律的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行定性分析，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，這種設(shè)計(jì)方式在研制成本和設(shè)計(jì)周期等各個(gè)方面均嚴(yán)重的影響了包裝機(jī)的發(fā)展[2]。目前隨著超算平臺(tái)的普及，使得流體力學(xué)等數(shù)值方法在機(jī)械設(shè)備中廣闊應(yīng)用，顯著提高了分析的有效性。該研究中對(duì)包裝機(jī)研究中通過(guò)使用SolidWorks、icem以及Fluent進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)包裝機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，來(lái)解決現(xiàn)目前企業(yè)中出現(xiàn)的包裝機(jī)內(nèi)部溫度不均勻?qū)е碌臒崾湛s效率低，效果差等問(wèn)題。該研究中主要通過(guò)煙草收縮溫度和內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性兩個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷設(shè)計(jì)是否合理，通過(guò)極端情況下的最大煙包尺寸來(lái)判斷在包裝機(jī)中溫度是否達(dá)到所需要求，研究中采用的PE膜最佳受熱溫度為140℃。

2 計(jì)算模型

2.1 研究對(duì)象描述

某公司包裝機(jī)模型，如圖1所示。包裝機(jī)采用的加熱形式為典型的以離心風(fēng)機(jī)機(jī)芯為動(dòng)力源的強(qiáng)制對(duì)流。首先建立分析模型，為了能夠?qū)?nèi)部結(jié)構(gòu)看的更加清楚，此處對(duì)進(jìn)出口處的風(fēng)簾和傳輸網(wǎng)鏈進(jìn)行了隱藏。在模型中包含兩個(gè)離心風(fēng)機(jī)葉輪作為動(dòng)力源，使得腔內(nèi)的空氣能夠循環(huán)流動(dòng)；兩側(cè)5根加熱管作為內(nèi)部熱源，對(duì)內(nèi)部空氣進(jìn)行加熱處理；底部設(shè)計(jì)有導(dǎo)流槽，對(duì)循環(huán)的空氣進(jìn)行均勻分配到加熱管處，使內(nèi)部的氣體受熱更加均勻。出口處安裝4個(gè)冷卻風(fēng)扇，對(duì)加熱完成后的煙包進(jìn)行迅速冷卻處理。具體模型參數(shù)如下：（1）煙草在包裝機(jī)內(nèi)部加熱通道尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=1706×892×575mm；（2）每根加熱管的功率為 2kW；（3）內(nèi)部工作的環(huán)境最佳溫度為140℃；（4）離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min。

圖1 包裝機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Packaging Nachine Structure

2.2 流體域模型建立

根據(jù)SolidWorks中建立的模型，使用icem軟件建立流體域模型，在建立流體域的模型中，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，減少計(jì)算機(jī)資源的使用，對(duì)模型作出如下的簡(jiǎn)化：根據(jù)模型的對(duì)稱性特征，并且忽略仿真過(guò)程中對(duì)稱面上側(cè)脹風(fēng)的影響，只取模型的一半進(jìn)行流體域建立；在離心風(fēng)機(jī)模型中，由于葉片的分布較密集，為了后續(xù)網(wǎng)格便于劃分以及質(zhì)量的提高，將每個(gè)葉片進(jìn)行無(wú)厚度處理；（由于仿真中只需要對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行仿真分析，可以對(duì)各個(gè)壁面進(jìn)行無(wú)厚度簡(jiǎn)化，）簡(jiǎn)化后建立的流體域模型，如圖2所示。

圖2 流體域模型Fig.2 Fluid Domain Model

2.3 網(wǎng)格劃分

包裝機(jī)采用混合網(wǎng)格的劃分方法，可以大量減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算速度和精度。離心風(fēng)機(jī)部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3（a）所示。模擬過(guò)程中采用多重參考系模型（multiple referenceframe MRF）[3]。包裝機(jī)內(nèi)腔采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖3（b）所示。為了在interface面上和離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格的連通性更好，腔體采用O型網(wǎng)格劃分[4]，并且進(jìn)行加密處理，在加熱管處的位置，由于溫度梯度比較大，將其網(wǎng)格適當(dāng)加密處理?；旌暇W(wǎng)格的網(wǎng)格信息傳遞中通過(guò)interface的方式連接，劃分完成后的網(wǎng)格離心風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量為131萬(wàn)，包裝機(jī)腔體的網(wǎng)格數(shù)量為139萬(wàn)。

圖3 混合網(wǎng)格Fig.3 Hybrid Grid

2.4 計(jì)算方法設(shè)置

Fluent中提供了兩種求解器計(jì)算方法，一種是密度基求解器，一種是壓力基求解器，密度基求解器主要應(yīng)用高速可壓縮流動(dòng)或者對(duì)網(wǎng)格求解要求很高的流動(dòng)情況中，壓力基求解器則相反，適用于低速不可壓縮流動(dòng)[5]。根據(jù)包裝機(jī)內(nèi)的低速不可壓縮流動(dòng)特點(diǎn)，選擇壓力基求解器。在求解算法中，壓力基求解常用的兩種算法是SIMPLE算法和SIMPLEC算法。研究對(duì)象是仿真強(qiáng)制對(duì)流中溫度場(chǎng)的分布，由于離心風(fēng)機(jī)出口處速度較大，在包裝機(jī)中有較強(qiáng)的渦流出現(xiàn)，所以在此處選擇壓力與速度耦合的SIMPLE算法[6]，由于采用的是混合網(wǎng)格，且流體域較復(fù)雜，在其他壓力項(xiàng)、能量項(xiàng)、紊流動(dòng)能和紊流耗散率項(xiàng)的離散中都采用一階迎風(fēng)來(lái)加快解的收斂。

2.5 邊界條件設(shè)置

研究對(duì)象中主要有進(jìn)出口、壁面、加熱管以及離心風(fēng)機(jī)等邊界條件。進(jìn)出口邊界條件中由于煙包進(jìn)入腔體內(nèi)的過(guò)程中在同一個(gè)面上既有流體流進(jìn)又有流體流出，這里將風(fēng)簾面選擇兩個(gè)作為壓力進(jìn)口，兩個(gè)作為壓力出口；壁面邊界中有石棉作為保溫棉，但并非絕熱壁，所帶走的部分熱量損失通過(guò)熱對(duì)流項(xiàng)中的對(duì)流系數(shù)來(lái)替代，加熱管邊界條件中，根據(jù)前面熱邊界條件中只需將加熱條件設(shè)置為恒溫450K，離心風(fēng)機(jī)邊界條件中由于采用的MRF模型，需要將動(dòng)域設(shè)置為具有旋轉(zhuǎn)速度為158rad/s，離心風(fēng)機(jī)葉片中以動(dòng)域?yàn)閰⒖迹瑢⑵湎鄬?duì)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為0，表示和動(dòng)域的旋轉(zhuǎn)速度相同。初始化溫度設(shè)置為常溫300K。

3 仿真分析

經(jīng)過(guò)fluent迭代計(jì)算完成后，分別截取熱收縮機(jī)在煙包移動(dòng)過(guò)程中縱向和橫向以及煙包頂面接觸面的溫度云圖，如圖4所示。煙包接觸面的溫度云圖4（a）可以看出，溫度呈螺旋狀分布，且由外到內(nèi)溫度逐漸升高，在中心處溫度最高，進(jìn)口處溫度最低，從縱向溫度云圖4（b）來(lái)看，溫度呈喇叭狀，兩邊的溫度最低，喇叭口的溫度最高，呈現(xiàn)出大口徑形態(tài)，使得兩邊溫度擴(kuò)散的均勻性不好，從橫向溫度云圖4（c）來(lái)看，溫度仍然呈喇叭狀分布，與縱向的結(jié)果一致，產(chǎn)生該現(xiàn)象主要是由于離心風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口會(huì)形成極大的渦流。

圖4 包裝機(jī)溫度云圖Fig.4 Packaging Machine Temperature Nephogram

在速度云圖，如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，速度在離心風(fēng)機(jī)葉輪處最大，且在離心風(fēng)機(jī)頂部的速度呈凹型。從5（b）中可以看出，速度分布以環(huán)狀一圈一圈分布，根據(jù)離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)特性，在離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的切向速度最大，所以在俯視面上所看到速度最大的環(huán)型狀是離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的，而其他周圍的速度在最大速度的牽引下依次呈環(huán)狀分布，且速度逐漸減弱，到離心風(fēng)機(jī)中心的最頂部，速度很小趨近于零。在該區(qū)域的速度表現(xiàn)出不連續(xù)性，接觸面上最大速度達(dá)到了近7m/s，最小速度低于2m/s，對(duì)于煙包膜而言，空氣的流動(dòng)速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致膜受熱不完全，過(guò)慢會(huì)使膜的表面加熱燙壞，從速度分布整體來(lái)看，腔內(nèi)的速度較快。這也是導(dǎo)致在溫度的分布中使溫度也呈現(xiàn)出不連續(xù)性。與前面溫度云圖相結(jié)合來(lái)分析，離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使其頂部的氣體高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，包裝機(jī)進(jìn)口處由于腔內(nèi)氣體速度快，在此處將大量的外部冷空氣帶入腔內(nèi)，并且將部分腔內(nèi)的熱空氣吹出，使得腔內(nèi)的平均溫度降低，從溫度云圖中可以看出，煙包與腔內(nèi)接觸的氣體溫度最高為405K，最低為382K，F(xiàn)luent計(jì)算出在煙包頂面接觸面平均溫度為396K，與煙包PE膜熱收縮時(shí)的最佳溫度140℃產(chǎn)生的誤差為12.1%。不能達(dá)到煙包收縮時(shí)的理想效果。

圖5 速度云圖Fig.5 Speed Nephogram

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)上述出現(xiàn)的問(wèn)題，在離心風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處增加兩層多孔網(wǎng)篩，如圖6（a）所示。網(wǎng)篩在加工的時(shí)候保證錯(cuò)亂分布，上下層的圓孔不能重合。當(dāng)氣體在被吸入離心風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)受到第一層圓孔擋板的阻力后，一次擾亂上方空氣的流動(dòng)軌跡，當(dāng)擾亂后的氣體再次進(jìn)入第二塊圓孔板時(shí)，在第一次的基礎(chǔ)上二次擾亂空氣的流動(dòng)軌跡，經(jīng)過(guò)兩次軌跡擾動(dòng)后，使離心風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處所產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度減弱，從而減少包裝機(jī)內(nèi)的外界空氣吸入量。為了解決網(wǎng)篩裝置安裝問(wèn)題，網(wǎng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一體式的，然后通過(guò)掛板將網(wǎng)篩掛在包裝機(jī)中間層板上，為了防止掛板在運(yùn)作過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，在四周通過(guò)螺釘連接固定在中間層板上，如圖6（b）所示。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，分析完成后，分別截取包裝機(jī)橫向、縱向以及煙包接觸頂面三個(gè)截面的溫度云圖，和優(yōu)化前的溫度云圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)Fig.6 Optimized Structure

圖7 優(yōu)化后包裝機(jī)溫度云圖Fig.7 The Optimized Packaging Machine Temperature Nephogram

從優(yōu)化后的溫度云圖圖7（a）中，可以看出，渦流所引起的溫度螺旋式分布明顯減弱，總溫度也有較大的提升，雖然圖7（b）和圖7（c）呈現(xiàn)出喇叭狀分布，但是喇叭口徑較優(yōu)化前相比減小了很多，從加熱管處擴(kuò)散出來(lái)的溫度連續(xù)性明顯增強(qiáng)。將優(yōu)化前的溫度對(duì)比分析，如圖8所示。從折線圖中可以看出，優(yōu)化后的溫度均高于優(yōu)化前溫度，煙包在100mm處和700mm處的溫度最高達(dá)到412K，最低溫度出現(xiàn)在300mm位置，平均溫度為410K，與PE膜的最佳收縮溫度140℃的誤差為2.1%，并且優(yōu)化后的溫度相對(duì)于優(yōu)化前的溫度變化范圍小很多，基本能達(dá)到煙包的最佳收縮狀態(tài)。從優(yōu)化前后的速度折線圖，如圖9所示?？梢钥闯?，優(yōu)化前后的速度圖有明顯的變化，優(yōu)化前的溫度從上面的分析可以知道離心風(fēng)機(jī)導(dǎo)致速度在中間呈環(huán)狀的速度最大，在正中心的位置速度位置最低，折線圖中速度的波動(dòng)狀態(tài)明顯，符合上面速度分析，而在優(yōu)化后的速度降低了很多，并且從整體位置上來(lái)速度的變化幅度很小，基本保持在2m/s左右的范圍，與包裝機(jī)的優(yōu)化后的溫度相對(duì)應(yīng)。

圖8 優(yōu)化前后溫度對(duì)比圖Fig.8 Optimized Before and After the Temperature Comparison Chart

圖9 優(yōu)化前后速度對(duì)比圖Fig.9 Optimized Before and After the Speed Comparison Chart

5 結(jié)論

本次研究了包裝機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，通過(guò)fluent軟件進(jìn)行對(duì)比分析了優(yōu)化前后內(nèi)部溫度場(chǎng)以及速度的變化，經(jīng)分析可知：優(yōu)化前的包裝機(jī)由于離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，切向速度較大，導(dǎo)致內(nèi)部空氣在切向速度的作用下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，渦流使腔體內(nèi)的溫度呈螺旋狀分布，并且由于渦流強(qiáng)度大，增強(qiáng)了對(duì)外界氣體的吸入，當(dāng)大量的空氣吸入腔體時(shí)，包裝機(jī)的整體溫度就低于實(shí)際PE膜加熱所需溫度。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后增加了網(wǎng)篩裝置，在網(wǎng)篩的作用下，離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的空氣軌跡被擾亂，渦流強(qiáng)度和喇叭口強(qiáng)度大大減弱，整體溫度得到提高，腔體內(nèi)的溫度和速度的波動(dòng)范圍變小，腔體內(nèi)部溫度均勻性更好。