激光切割設(shè)備的吸塵罩流場(chǎng)仿真及除塵研究*

江樺銳，肖海兵，張松嶺

(1.深圳市海目星激光智能裝備股份有限公司，廣東 深圳 518110；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與裝備學(xué)院，廣東 深圳 518172)

吸塵罩是激光切割設(shè)備的重要部件之一，吸塵罩設(shè)計(jì)的合理性和有效性直接影響激光切割過(guò)程的除塵效果。吸塵罩的計(jì)算是否準(zhǔn)確、設(shè)計(jì)是否合理對(duì)整個(gè)激光切割設(shè)備的除塵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重要意義；粉塵通過(guò)吸塵罩進(jìn)入除塵器；研究模擬吸塵罩的固氣二相流仿真十分必要。Hoover等[1]在針對(duì)鋸削、銑削過(guò)程粉塵排放的研究中，發(fā)現(xiàn)加工脆性材料比加工韌性材料產(chǎn)生的粉塵顆粒的質(zhì)量中值直徑大。在相同的切削條件下，不同材料產(chǎn)生的粉塵量不同，且總體來(lái)說(shuō)斷裂韌性越強(qiáng)的材料產(chǎn)生的粉塵量越多[2-3]。Balout等[4]分別對(duì)6061鋁合金鍛件、A356鋁合金鑄件、黃銅材料進(jìn)行干切削測(cè)試，討論工件在不同熱處理后對(duì)產(chǎn)生粉塵的影響。工件材料經(jīng)過(guò)預(yù)冷處理后，切屑的斷裂性增強(qiáng)，且減小了切削力，從而能減少至少70%的微粉塵；工件預(yù)熱增加了切屑的韌性，也增加了粉塵的產(chǎn)生量。曹彪等[5]研究了激光精密切割工藝及參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[6-7]研究了基于Fluent對(duì)井水除塵器的流場(chǎng)分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)。D.Dekeyser 等[8-9]通過(guò)處理流量、流速以及風(fēng)機(jī)功率間的試驗(yàn)，在定風(fēng)機(jī)功率工況下，研究氣流速度對(duì)粉塵流動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[10]研究機(jī)械加工車(chē)間環(huán)境影響分析及粉塵特性。基于此，針對(duì)激光切割金屬極片產(chǎn)生粉塵顆粒，研究激光切割設(shè)備的吸塵罩流場(chǎng)仿真模擬，探討其除塵效果。

1 粉塵吸收理論

1.1 基于氣流數(shù)值模擬仿真的吸塵系統(tǒng)粉塵吸收理論

激光加工工藝或工件材料產(chǎn)生的粉塵粒徑分布、排放等影響激光加工質(zhì)量。激光振鏡切割過(guò)程粉塵會(huì)導(dǎo)致鏡片污染，影響光束質(zhì)量，從而影響激光切割的質(zhì)量。激光加工粉塵排放情況依據(jù)加工工藝和工件材料有所不同，解決粉塵問(wèn)題從吸塵系統(tǒng)著手。粉塵顆粒不會(huì)靜止不動(dòng)，必然在空氣中擴(kuò)散和稀釋?zhuān)纬煞蹓m顆粒在空間內(nèi)的分布。粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是很復(fù)雜的，即便忽略重力和通風(fēng)對(duì)粉塵顆粒擴(kuò)散的影響，粉塵顆粒也隨著主要由激光切割過(guò)程中運(yùn)動(dòng)引起的空氣紊流而擴(kuò)散。

用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型通過(guò)計(jì)算激光切割金屬片材產(chǎn)生的粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而了解顆粒的分布規(guī)律或在室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。采用數(shù)值模擬方法研究顆粒運(yùn)動(dòng)，主要有2種方法：基于拉格朗日坐標(biāo)求解顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的方法和基于歐拉坐標(biāo)求解顆粒濃度分布的方法。以其中拉格朗日方法來(lái)分析切削粉塵的空間特性，將空氣相看作連續(xù)相，求解單個(gè)顆粒的動(dòng)量方程得到單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡：

(1)

式中，vp是顆粒的速度，單位為m/s；τ是時(shí)間，單位為s；ua是空氣的黏度，單位為Pa·s；ρp是金屬顆粒的密度，單位為kg/m3；dp是顆粒的直徑，單位為m；Cc是修正系數(shù)；v是空氣的速度，單位為m/s；g是自由落體加速度，單位為m/s2；ρa(bǔ)是空氣的密度，單位為kg/m3；Fs是顆粒受到的Saffman提升力。

流體連續(xù)方程：

(2)

顆粒相連續(xù)方程：

(3)

流體動(dòng)量方程：

(4)

顆粒動(dòng)量方程：

(5)

流體相組分方程：

(6)

式中，vi是氣流速度的各個(gè)分量；ρ是流體密度；p是靜壓；ρk是顆粒相表觀(guān)密度；Ys是S組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Sk是單位體積中平均的物質(zhì)源；vki是顆粒相對(duì)于混合物的速度滑移；wS是流體相中S組分反應(yīng)率；μe是動(dòng)力粘性系數(shù)：τrk是粘性應(yīng)力；g是重力加速度；Fk,Mi是微元體上的體力；σY是應(yīng)力張量；aS是系數(shù)；xi,xj是笛卡爾坐標(biāo)，其中，i,j,k,r=1,2,3分別代表x,y,z方向。

1.2 氣固兩相流模型選擇

激光精密切割的吸塵模組吸收粉塵的過(guò)程是典型的運(yùn)動(dòng)氣流和射出的粉塵顆粒組成的湍流氣固兩相流，氣固兩相流按其尺度和屬性來(lái)分。連續(xù)介質(zhì)模型將顆粒相看成是擬流體，這是目前在兩相流動(dòng)研究領(lǐng)域中使用最廣泛的一種方法。在這種模型中，顆粒被處理為一相，也被稱(chēng)為“雙流體模型”。在數(shù)學(xué)方程中，由于這類(lèi)模型對(duì)流體、顆粒都采用歐拉坐標(biāo)系，故其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)方法為“歐拉法”。典型的數(shù)學(xué)模型有k-ε模型、顆粒動(dòng)力學(xué)模型等。

2 仿真研究

2.1 模型建立

吸塵模組是氣-固兩相流動(dòng)，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況在很大程度上受激光加工過(guò)程中氣體運(yùn)動(dòng)狀況的影響，所以分析其內(nèi)部氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是揭示顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提條件。采用SpaceClaim進(jìn)行模型簡(jiǎn)化和體積抽取。抽取吸塵模組的內(nèi)流道模型如圖1所示。

圖1 吸塵模組模型

將吸塵模組導(dǎo)入Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)吸塵模組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用四面體網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.15 mm。為保證后續(xù)處理正常進(jìn)行，在完成幾何造型和網(wǎng)格劃分后，要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，以防止在某些區(qū)域出現(xiàn)畸變過(guò)大的情況。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 吸塵模組網(wǎng)格劃分

2.2 離散相湍流模型

計(jì)算模型采用離散相湍流模型，湍流的數(shù)值模擬采用Realizablek-ε模型。壁面采用無(wú)滑移邊界，按照不可壓縮流體定常流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。空氣密度為1.225 kg/m3。根據(jù)要求采用壓力邊界設(shè)置，將進(jìn)氣管道作為壓力入口，排氣管道作為速度出口。設(shè)置入口為標(biāo)壓入口、出口速度為24.6 m/s。反映湍流特性的控制方程Realizablek-ε如下：

(7)

流體為不可壓縮流體，空氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)。在旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下，建立流動(dòng)與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程。由鋰電激光切割產(chǎn)生的粉塵主要為Cu、C、Al、Al2O3·H2O，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 粉塵物性參數(shù)

2.3 除塵模組多相流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

速度分析是通過(guò)速度矢量圖來(lái)反映流場(chǎng)內(nèi)部速度變化、旋渦、匯流等的有效手段，也是體現(xiàn)流場(chǎng)整體趨勢(shì)的常用方法。依據(jù)吸塵模組的結(jié)構(gòu)，提取縱向截面的仿真信息進(jìn)行分析研究。吸塵罩縱截面速度等值線(xiàn)、縱截面速度矢量分布云圖分別如圖3和圖4所示，縱截面速度矢量分布的局部放大圖如圖5所示。

圖3 縱截面速度等值線(xiàn)

圖4 縱截面速度矢量

圖5 縱截面速度矢量圖局部放大

由圖3～圖5可知，氣流顆粒由入口流入吸塵模組兩壁面后平均速度為45 m/s，最大速度為60 m/s。到達(dá)主桶壁后內(nèi)部氣流為30 m/s，主桶壁右下角有渦旋，排氣口速度為25 m/s。進(jìn)氣口速度較大，主桶壁有小渦旋?？v截面壓力等值線(xiàn)如圖6所示，氣流運(yùn)動(dòng)的軌跡分布云圖如圖7所示。

圖6 縱截面壓力等值線(xiàn)

圖7 氣流運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖6和圖7可知，在激光精密切割過(guò)程中，氣流在吸塵模組進(jìn)出口大氣壓差的作用下，由進(jìn)氣口流入吸塵模組，由于體積突然減小，引起氣壓突變，進(jìn)而快速上升，此后氣流到達(dá)主桶壁之后由于體積變化引起局部渦旋，最后到達(dá)出口。

由進(jìn)氣壁兩邊進(jìn)入的粉塵為大小質(zhì)量不等的顆粒，為了揭示粉塵流經(jīng)吸塵模組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，考慮氣相與顆粒的相互作用，顆粒形狀為球狀，顆粒入射速度與氣流速度一致。鋰電激光切割金屬片材產(chǎn)生的粉塵主要為Cu、C、Al、Al2O3·H2O，Cu、C、Al、Al2O3·H2O顆粒、全部顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡分別如圖8～圖12所示。

圖8 C顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 Cu顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖11 Al2O3·H2O顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖12 所有顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖8～圖12可以看到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。吸塵罩內(nèi)流場(chǎng)分布比較復(fù)雜，尤其在進(jìn)出口區(qū)域處存在二次流及回流現(xiàn)象，在出口處與腔體之間存在渦流及回流區(qū)域，可以明顯看到其除塵效果。由仿真結(jié)果可知，不同質(zhì)量的顆粒在吸塵模組內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，但總體趨勢(shì)相同。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在綜合考慮粉塵顆粒特性、初始條件及邊界條件的情況下，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)激光切割設(shè)備的吸塵罩流場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，激光切割設(shè)備的吸塵模組具有體積小、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于其內(nèi)流場(chǎng)及多相流理論的完善起到了積極意義，為吸塵器模組的研究發(fā)展提供了一定的依據(jù)。