基于CFD的鋁箔碎屑收集負(fù)壓管設(shè)計(jì)

王廣林，劉 躍，李會(huì)榮，管小榮

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(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)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鋁箔生產(chǎn)設(shè)備已從早期的單純進(jìn)口、仿造逐步實(shí)現(xiàn)自主升級(jí)、改進(jìn)，并掌握了更多的核心技術(shù)及原創(chuàng)性技術(shù)[1]。查閱文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋁箔生產(chǎn)工藝及設(shè)備改進(jìn)做了大量研究，并獲得許多有價(jià)值的成果。如對(duì)鋁箔線性針孔缺陷成因的分析[2]、親水鋁合金箔材切邊余量的優(yōu)化控制[3]等。在鋁箔生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，彭鳳鳥(niǎo)等[4]對(duì)鋁箔軋機(jī)的套筒返回裝置進(jìn)行了技術(shù)改造；李連軍等[5]對(duì)粗中箔軋機(jī)新型開(kāi)卷機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析；門(mén)轉(zhuǎn)平[6]對(duì)鋁箔軋機(jī)主要設(shè)備配置進(jìn)行了計(jì)算分析；李會(huì)榮等[7]對(duì)親水鋁箔涂層線水冷輥結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。這些成果對(duì)提高鋁箔生產(chǎn)質(zhì)量及設(shè)備生產(chǎn)效率起到了良好的促進(jìn)作用。

由以上研究成果可知，目前針對(duì)鋁箔生產(chǎn)開(kāi)卷及卷取設(shè)備的優(yōu)化較多，而針對(duì)剪切部分的優(yōu)化相對(duì)較少，且優(yōu)化大多針對(duì)碟形刀及刀座部分[8-9]。鋁箔剪切機(jī)是將寬幅鋁箔裁剪成需要尺寸產(chǎn)品的重要設(shè)備，由于鋁箔比較輕薄，在裁剪過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生碎屑，目前大多數(shù)設(shè)備采用停機(jī)的方式來(lái)進(jìn)行清理，嚴(yán)重影響了剪切機(jī)的工作效率和鋁箔剪切質(zhì)量。在工程應(yīng)用中，負(fù)壓管被廣泛應(yīng)用于泵類(lèi)、風(fēng)機(jī)等氣流輸送系統(tǒng)[10-11]。本文擬采用高壓風(fēng)機(jī)與管路結(jié)合的方式設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的鋁箔剪切機(jī)碎屑收集系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)有抽風(fēng)與送風(fēng)兩種工作形式[12]，考慮到使用抽風(fēng)形式風(fēng)機(jī)時(shí)需要額外設(shè)計(jì)碎屑分離裝置，會(huì)增大設(shè)計(jì)難度與成本，因此本文采用高壓送風(fēng)機(jī)結(jié)合管路的方法設(shè)計(jì)碎屑收集裝置。

在研究方法方面，本文借助目前工程中常用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法[13-15]。CFD方法對(duì)比于理論分析和實(shí)驗(yàn)，具有可完整重現(xiàn)流場(chǎng)細(xì)節(jié)、節(jié)約研發(fā)成本的優(yōu)點(diǎn)[16]。本文在對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，使用CFD方法計(jì)算不同管路結(jié)構(gòu)的壓力-速度耦合流場(chǎng)，通過(guò)對(duì)物理量云圖對(duì)比及支管進(jìn)口處氣流速度量化值的比較獲得有利于氣流輸運(yùn)的結(jié)構(gòu)形式，并最終給出文中計(jì)算條件下最優(yōu)化的鋁箔碎屑負(fù)壓收集管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 數(shù)學(xué)模型

本文中設(shè)定氣體流動(dòng)馬赫數(shù)Ma<0.4，可認(rèn)為是不可壓縮氣體，因此求解黏性不可壓流體方程組，其矢量形式如下[17]：

(1)

式中：v為速度矢量，·v為散度計(jì)算，具體含義為為密度；t為時(shí)間；f為體積力；p為壓力；μ為黏度。該方程組中，未知量p和v的3個(gè)分量共4個(gè)標(biāo)量，而分解方程也為4個(gè)，因此方程組是封閉的。

2 計(jì)算模型及數(shù)值方法

圖1(a)給出的是為鋁箔剪切機(jī)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易碎屑收集負(fù)壓管初步樣品圖，管內(nèi)負(fù)壓由高壓離心通風(fēng)機(jī)提供，平均流量為0.267 m3/s。負(fù)壓管路由主管和支管組成，整體為軸對(duì)稱(chēng)圖形，因此數(shù)值計(jì)算時(shí)可只取中心截面簡(jiǎn)化為二維計(jì)算，樣品設(shè)計(jì)尺寸及局部網(wǎng)格示意在圖1(b)中給出。計(jì)算區(qū)域均采用分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為正確計(jì)算剪切力及壓力，在近壁處進(jìn)行加密處理。

圖1 鋁箔收集負(fù)壓管及計(jì)算網(wǎng)格

在邊界條件設(shè)置方面，管路進(jìn)口處設(shè)為速度進(jìn)口邊界，根據(jù)通風(fēng)機(jī)流量及管路直徑設(shè)定v=(49.37，0，0)，單位為m/s，出口處設(shè)為壓力出口，支路設(shè)為壓力進(jìn)口，壁面設(shè)為無(wú)滑移邊界。此外，對(duì)方程組的離散采用有限體積法，壓力速度耦合選用PISO算法，對(duì)流項(xiàng)及湍流離散均采用二階精度[18]。

3 模型驗(yàn)證

本文主要關(guān)注管路中的壓力和速度分布，因此模型驗(yàn)證采用可用連續(xù)方程理論計(jì)算的簡(jiǎn)單管路，圖2給出的是模型驗(yàn)證采用的管路模型及二維計(jì)算域。模型驗(yàn)證時(shí)求解的流體力學(xué)方程組，采用的數(shù)值方法、網(wǎng)格劃分方法以及進(jìn)出口直徑、進(jìn)口處速度均與實(shí)際計(jì)算保持一致。

圖2 管路計(jì)算模型及計(jì)算域

圖3(a)給出了計(jì)算得到的管內(nèi)壓力分布，可以看到中間管路尺寸變窄時(shí)，氣流加速、壓力下降的過(guò)程，圖3(b)給出了監(jiān)測(cè)的出口截面平均速度隨迭代步數(shù)變化值，可以看到隨著迭代步數(shù)增多，計(jì)算趨于收斂，速度值穩(wěn)定在49.37 m/s，與相同直徑下的進(jìn)口速度一致，這很好地符合了求解的連續(xù)方程，同時(shí)也簡(jiǎn)單證明了模型的可靠性。

圖3 壓力云圖及出口速度

4 結(jié)果分析

本文首先探討4種管路結(jié)構(gòu)對(duì)氣流輸送的影響規(guī)律(如圖4所示)，為了描述簡(jiǎn)便，將4種支路結(jié)構(gòu)命名為P1、P2、P3、P4。其中P1結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，支路與主路垂直相交；P2為支路與主路呈45°角相交；P3為支路與主路相交處倒45°圓角；P4為延長(zhǎng)P1結(jié)構(gòu)中靠近進(jìn)口端長(zhǎng)度。

圖4 不同的支路結(jié)構(gòu)

圖5給出了4種支路結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)速度云圖和流線圖。由于管路產(chǎn)生負(fù)壓，4種支路均為進(jìn)氣流，其中P1由于支路與主路垂直，氣流匯入主管時(shí)阻力較大，且在進(jìn)口后端生成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向與流向相反的渦流區(qū)域，增大了壓力損失；P2、P3結(jié)構(gòu)可使氣流能夠更平順地匯入主管，并且沒(méi)有出現(xiàn)反向渦流區(qū)域，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)P3中倒圓角的形式更利于氣流輸送，特別是靠近來(lái)流端，對(duì)氣流有較好的導(dǎo)向作用；P4中延長(zhǎng)支管長(zhǎng)度后，氣流繞過(guò)支管后迅速膨脹導(dǎo)致負(fù)壓增大，進(jìn)而使得支管氣流速度明顯增大，氣流輸送效率提高。通過(guò)對(duì)比P4和P1可知，由于P4中管路變窄氣流速度增大，導(dǎo)致氣流與壁面剪切作用增強(qiáng)，形成了一個(gè)較大的渦流區(qū)，同樣不利于整體氣流輸送。

圖5 不同支路結(jié)構(gòu)的速度云圖及流線圖

本文設(shè)計(jì)的新鋁箔碎屑收集負(fù)壓管路結(jié)構(gòu)P5如圖6(b)所示。與最簡(jiǎn)單的P1結(jié)構(gòu)相比，P5延長(zhǎng)了來(lái)流端支管長(zhǎng)度，支管與主管相交線投影呈45°圓角。

圖6 負(fù)壓管路新舊結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖7給出了P5與P1的管路壓力分布對(duì)比，可以看到由于支管延長(zhǎng)導(dǎo)致后部氣流膨脹后負(fù)壓區(qū)域和負(fù)壓值明顯增大，進(jìn)而導(dǎo)致圖8中支管氣流輸送速度明顯增大，輸送效率提高，同時(shí)由于倒圓角處理，使得支管后部渦流區(qū)域比P4(圖5(d)所示)直角相交時(shí)明顯減小。

圖7 負(fù)壓管內(nèi)壓力分布

圖8 P5管內(nèi)速度分布及流線分布

圖9給出了不同管路結(jié)構(gòu)支路進(jìn)口處的平均速度量化值比較情況，其總體特征與圖5、圖8云圖所示一致，即傾斜支管、倒圓角對(duì)輸送氣流有利，P1至P3支管進(jìn)口處速度逐漸增大，但趨勢(shì)不明顯，而延長(zhǎng)支管的P4進(jìn)口氣流速度得到明顯提升，在P4基礎(chǔ)上優(yōu)化的P5使得進(jìn)口處速度進(jìn)一步提升，達(dá)到了55.81 m/s，能較好地完成鋁箔碎屑收集任務(wù)。

圖9 支路進(jìn)口處平均速度對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)鋁箔剪切機(jī)碎屑收集需求，設(shè)計(jì)了5種不同結(jié)構(gòu)的負(fù)壓管路，并使用CFD方法計(jì)算了管路結(jié)構(gòu)的壓力-速度耦合流場(chǎng)，給出了不同管路結(jié)構(gòu)時(shí)的速度分布云圖及流線圖，并重點(diǎn)從支管進(jìn)口處速度值對(duì)不同管路結(jié)構(gòu)的氣流輸效率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明CFD能較好地重現(xiàn)負(fù)壓管路內(nèi)壓力、速度變化特征。通過(guò)數(shù)據(jù)分析主要得到以下結(jié)論：

1)支管與主管平滑的連接方式可降低壓力損失，并可改善后部的反向渦流區(qū)域，進(jìn)而提高鋁箔碎屑收集管風(fēng)力及效率。增加支管深度后由于管內(nèi)氣流膨脹導(dǎo)致負(fù)壓區(qū)域及量值增大，可明顯提高氣流速度。

2)文中設(shè)計(jì)的P5管路結(jié)構(gòu)采用支管深入主管并倒圓角的形式，得到了最高的入口氣流速度，可滿(mǎn)足鋁箔剪切機(jī)碎屑收集要求。