激光模切工位中風刀阻斷除塵數(shù)值模擬

楊鐵牛，胡金洲，杜華娜，林浩良

（五邑大學智能制造學部，廣東江門529020）

鋰離子電池作為二次能源廣泛應用于電動汽車、移動設備和能源存儲等領域[1]，然而鋰離子電池性能極大受到制造工藝的影響。在電池極耳快速切割成形工藝中由于傳統(tǒng)的機械切割容易產(chǎn)生掉粉、變形等現(xiàn)象，嚴重影響鋰離子電池質量[2]。目前提出利用激光切割技術來代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造工藝，激光切割是以激光的巨大能量（功率密度）直接聚焦在被切零件的表面，產(chǎn)生足夠使被切割材料熔化甚至汽化的溫度，從而達到分離切割材料目的[3]。由于激光切割極片效率高、精度高、不受極耳形狀及尺寸的限制[4]，為鋰離子電池中極耳加工開辟了新的途徑，越來越多人使用激光切割的方式取代了傳統(tǒng)機械切割。但在激光切割的同時也會產(chǎn)大量噴射粉塵顆粒，若使用這種粘附有飛濺顆粒的極片組裝的鋰離子電池，電池隔膜相對容易被刺穿、在使用過程中易造成短路、發(fā)熱，甚至會導致電解液泄露，嚴重時會造成電池爆炸，對使用者和電子產(chǎn)品造成不可逆的傷害[5]。

為防止噴射粉塵顆粒帶來的危害，行業(yè)采取的措施主要是設置風刀利用射流風幕阻斷除塵，風刀通過輸入高壓氣流在其漸縮內腔內壓縮加速流動，最后在風刀縮-擴噴嘴口進一步加速至超音速，使得風刀出口氣流為一面薄薄的強勁射流風幕[6]。射流風幕在激光聚焦點區(qū)內形成一道“強力的阻斷屏障”，相當于一個透明邊界層，既不妨礙激光光束又能用來阻斷粉塵向外界擴散逃逸。但由于腔體內部復雜性導致射流風幕流場和粉塵顆粒運動軌跡無法觀察，經(jīng)常發(fā)生粉塵顆粒向外界大氣逃逸、粉塵顆粒附著極片、粉塵堆積等情況發(fā)生，因此對于風刀的射流風幕特性和粉塵顆粒運動軌跡研究就顯得十分有必要。

目前，國內外對風刀的研究主要集中在對噴嘴形式[7]、內部流場[8]、沖擊射流[9]研究較多。而用于阻斷除塵的研究較少，張芳磊[10]對原型倍頻的流場進行分析，在層流風的吹掃下，探究裝置內的流場分布狀態(tài)。通過對不同初始狀態(tài)的粒子的運動軌跡仿真計算，分析光學元件表面的污染原因，并針對不同初始狀態(tài)的顆粒污染物提出對應的潔凈方法。張志國[11]使用Fluent 與EDEM軟件建立了基于風刀的潔凈沖掃系統(tǒng)的流固耦合仿真模型，對光學元件表面粘附顆粒物的吹掃過程進行了仿真，得到了風刀沖掃參數(shù)對粘附微粒的去除規(guī)律和去除率。王鵬飛等[12]運用平面射流理針對綜采工作面空間特點及風流特性建布申氣幕隔塵的數(shù)學模型，從理論上就隔塵空氣幕兩側粉塵濃度分布和變化規(guī)律、空氣幕隔塵效率及相關參數(shù)的關系進行深入研究?；诖?，本文建立了風刀阻斷除塵仿真模型，對射流風幕阻斷除塵過程進行仿真分析，得出射流風幕流場速度分布規(guī)律和粉塵顆粒在風幕流場中的運動軌跡，為激光模切工位的除塵系統(tǒng)提供參考數(shù)據(jù)，提高工作效率。

1 射流風幕阻斷除塵原理

高功率密度激光照射極片時，輻射區(qū)域能量積累致使表面固體受熱熔融，由于過熱爆炸、碰撞濺射和應力濺射使得形成高動能氣溶膠顆粒，這是顆粒形成的主要階段[13-14]。如圖1所示，粉塵整體運動軌跡呈現(xiàn)圓錐狀。

圖1 激光切割極片

Shen 等[15]對此進行了深入的研究，結果表明：小直徑的粉塵顆粒速度較高（＞1 km/s），直徑范圍在5～20μm，其形狀為球形，大直徑的粉塵顆粒速度較低（＜10 m/s），其直徑范圍在50μm 左右，其形狀為塊狀。因此，針對激光模切工位中產(chǎn)生的高動能粉塵顆粒，風刀射流風幕的性能必須足夠穩(wěn)定可靠。

射流風幕阻斷除塵就是利用風刀噴射出強勁的射流風幕把激光聚焦塵源產(chǎn)生的噴射粉塵封閉在一個有限的空間內，再通過阻斷風幕卷吸特點與吸塵系統(tǒng)配合使用，就能實現(xiàn)激光模切工位的阻斷除塵功能。當噴射粉塵顆粒射入到風幕流場中后，受曳力的作用其速度大小和方向發(fā)生突變，改變了顆粒原有的運動軌跡，使得粉塵顆粒難以穿透射流風幕，這就起到阻斷作用。由于射流風幕與周圍靜止空氣存在較大速度差，即不連續(xù)的間截面，間截面受到不可避免的干擾，會失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，渦旋把周圍空氣卷入射流，通過不斷卷吸氣幕兩側的含塵空氣，稀釋和帶走卷吸進來的含塵空氣，最后由吸塵系統(tǒng)產(chǎn)生的負壓吸收，而達到除塵目的，就能實現(xiàn)激光模切工位的阻斷除塵功能，激光模切工位結構俯視圖如圖2所示。

圖2 激光模切工位結構俯視圖

2 數(shù)值分析

2.1 幾何模型建立

將內腔和風刀附近區(qū)域進行填充作為流體仿真域，如圖3所示。并以風刀噴嘴出口中點為原點，進氣通孔的中心軸線為z 軸建立坐標系。設塵源點與風刀原點z 方向之間距離為L，逃逸窗口可認為穿過此壁面的粉塵顆粒則最終會逃逸到外界大氣中，定義負壓出口為穿過此面的粉塵顆粒最終被除塵罩吸收去除。

圖3 內腔流體域模型

整個計算域采用四面體非結構化網(wǎng)格，最后整體網(wǎng)格數(shù)為1571399，節(jié)點數(shù)為300864，網(wǎng)格質量大于0.31滿足仿真需求[16]，網(wǎng)格劃分結果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分模型

2.2 仿真參數(shù)設置

對于超音速平面射流數(shù)值模擬己有前人諸多試驗驗證和仿真分析。其中關于射流流場模擬中的湍流模型，陳盧鑫[17]從理論和實測上對五種湍流模型進行對比分析，結果表明剪切壓力傳輸k- ω模型與其他模型相比，通過對輸運方程的修正，保證其在計算射流流場時具有較高的準確性。因此選用Realizable k-epsilon 湍流模型，同時也打開離散相模型（DPM）和能量方程，流體材料設置為ideal-gas，計算域的入口采用壓力入流條件給定總壓0.3 MPa、總溫330 k，計算域出口采用壓力出口一個標準大氣壓，壓力速度耦合方式采用SIMPLE 方式，動量和壓力的離散采用較高精度的二階迎風格式。

粉塵顆粒運動的軌跡是由粉塵顆粒受力平衡來實現(xiàn)的，通過顆粒上的力平衡進行積分計算來預測離散相粉塵顆粒的運動軌跡，并將其寫入拉格朗日方程中，粉塵顆粒受曳力、中立、壓力梯度力、熱泳力、布朗力、薩夫曼升力[18]，而其中只有曳力和重力起主要重要，其余力相比起來微乎其微本文不做考慮。

在fluent 中DPM 考慮顆粒與流體之間相互作用，而曳力是氣固兩相流重要參數(shù)，因此，合適的曳力模型對仿真有重要影響。

Free stream 曳力模型[19]，當顆粒質量分數(shù)較小，顆粒間相互碰撞次數(shù)較少，且流體區(qū)域速度梯度不大時能較好的模擬結果。

式中：A為顆粒的投影面積;Cd為曳力系數(shù);ρg為流體密度。

參考Lee等[20]的實驗結果將粉塵顆粒簡化為球形顆粒，且密度一致。忽略顆粒間的相互作用，只考慮作用在顆粒上的穩(wěn)態(tài)氣動阻力。內腔壁面和極片面邊界設置為trap，即顆粒接觸到壁面就被吸附其表面上，不在發(fā)生反彈現(xiàn)象。本文主要研究的是粉塵顆粒沒有與內腔壁面接觸直接都被除塵系統(tǒng)除去，故只是微塵顆粒與壁面接觸是都認為是顆粒被吸附在內腔壁面上。粉塵顆粒的初始狀態(tài)直接影響其在腔體中的運動軌跡，Shen 等[15]基于時間分辨陰影和干涉成像技術，對背表面損傷過程進行了原位檢測，對激光誘導向外噴射顆粒的初始狀態(tài)進行了統(tǒng)計。因此，將粉塵顆粒按粒徑占比相對多的1μm、5μm、8μm、12μm、15μm 進行分類，總共設置5組顆粒發(fā)射源，入射類型定義為solid-cone。

2.3 仿真結果及分析

2.3.1 射流風幕特性

以x-z 平面上風幕為研究對象，風刀的射流風幕在x-z 截面流線分布如圖5所示，風刀在噴射過程中生成一道錐形風幕。風幕分成為里外兩部分，里面部分是由風刀本身吹出的高速氣體所形成的中心氣流層，氣流寬度較小，但風速高。外面部分風幕為外界卷吸氣流層，風刀噴射的中心氣流受到干擾而失穩(wěn)產(chǎn)生渦旋，渦旋把周圍空間氣體卷入射流而形成，但氣流速度較小。

圖5 射流風幕x-z 截面流線圖

以z 軸上風幕速度為研究對象，風刀的射流風幕在z 軸速度分布如圖6所示，高壓氣流從縮-擴噴嘴中吹入激光聚焦點區(qū)，出口附近速度最大可達482.2 m/s，之后就持續(xù)減小。在距離風刀噴嘴較近（40～68 mm）段風速劇烈衰減，這是因為氣流由風刀噴嘴流射出后，與周圍靜止流體產(chǎn)生能量交換，氣體耗散率過大，從而使速度迅速下降。在距離風刀噴嘴較遠后氣體已經(jīng)向兩側擴散到一定程度，向外擴散的氣體減少，風速下降平緩，得到了相對較為穩(wěn)定的氣流風幕段。

圖6 射流風幕z 軸速度分布曲線

設置5組平行x-y 面并沿z 軸方向距離原點分別為45 mm、60 mm、75 mm、105 mm、120 mm的橫斷截面。做5組橫斷截面與x-z 面交線處射流風幕速度曲線分布如圖7所示，風幕寬度近似等于噴嘴寬度有隨著遠離噴嘴慢慢增大趨勢，在同一橫斷截面上，距離風刀噴嘴較近45 mm處風速上下波動最大隨著遠離噴嘴波動慢慢趨于平穩(wěn)。

圖7 不同斷面射流分風幕y 軸速度分布曲線

2.3.2 粉塵顆粒運動軌跡

用fluent 對風刀阻斷粉塵過程進行仿真，粉塵顆粒在腔體中隨時間運動軌跡如圖8所示。

圖8 不同時刻粉塵顆粒運動軌跡圖

風刀工作時，風刀內部高壓氣體經(jīng)過縮-擴噴嘴后速度急劇上升至超音速氣流，接著高速氣流射入激光聚焦點區(qū)中帶動周圍兩側靜止空氣一起運動形成渦流。T =0.015 s時粉塵源點在極片兩側同時噴射粉塵顆粒，兩股粉塵顆粒整體形態(tài)呈錐狀沿著X 軸方向沖擊射流風幕。T = 0.030 s時有些顆粒由于氣旋渦流使得粉塵顆粒發(fā)生二次回流現(xiàn)象又附著在極片上；另外的顆粒已經(jīng)處于風幕中心氣流區(qū)，由于曳力作用下速度急劇減小運動軌跡都發(fā)生明顯偏移現(xiàn)象。這些顆粒中一部分動能小的顆粒開始隨著風幕流動的方向流動，另一部分動能足夠大的顆粒沖出中心氣流區(qū)，但受到中心氣流影響速度和運動軌跡都發(fā)生很大改變。T = 0.045 s時沖出風幕的中心氣流顆粒在外界卷席氣流作用下去向分為了3部分：1）在外界卷席氣流作用下慢慢跟著風幕運動方向被吸塵罩除去；2）穿過射流風幕附著堆積在壁面而帶來各種隱患；3）顆粒由于動能過高直接穿過射流風幕從窗口逃逸到外界大氣。T =0.05 s時停止噴射粉塵顆粒，此時很明顯可以看到墻壁上附著大量顆粒。T = 0.2 s時經(jīng)過中間一段時間除塵系統(tǒng)運作后粉塵顆粒明顯減少，但仍有一部分殘留附著在壁面和懸浮腔體中造成危害。T =10 s時可以認為經(jīng)過足夠長時間除塵系統(tǒng)運作，即殘留下的粉塵顆粒靠現(xiàn)除塵系統(tǒng)已經(jīng)無法去除。

粉塵顆粒的最終去向對激光模切工位有關鍵性意義，因此本文將粉塵顆粒最終去向劃分為4類：被除塵罩吸收走的粉塵顆粒P1，附著在壁面上的粉塵顆粒為P2，附著在極片上的粉塵顆粒P3，逃逸到大氣環(huán)境的粉塵顆粒為P4，由上述仿真結果統(tǒng)計得出顆粒去向統(tǒng)計如表1所示。

表1 顆粒去向統(tǒng)計表

由表1可知：粒徑為1μm、5μm 的小粒徑粉塵顆粒去向主要有兩種：一部分由于卷席氣流而附著在極片上，一部分被除塵系統(tǒng)吸走，而穿過中心氣流風幕逃逸大氣或附著腔體的粉塵顆粒只占極少。而粒徑為8μm、12μm、15μm 的大粒徑顆粒按照粒徑變化其去向也具有規(guī)律性變化，隨著粒徑增大P2、P4占比增大，P1、P3占比減小，這些大粒徑顆粒絕大部分都是穿過中心氣流風幕而逃逸大氣或附著腔體墻壁上，從阻斷污染物傳播途徑的角度看，應著重注意此類粉塵顆粒。

按照粉塵顆粒最終去向占比從大到小依次為P1（61.07%）＞P2（21.25%）＞ P3（10.01%）＞P4（7.69%）,其中最大一部分粉塵顆粒被除塵系統(tǒng)吸走，但有10.01%的粉塵顆粒附著極片上，這將為鋰電池極片加工帶來極大安全隱患，故該工位設計仍需改進優(yōu)化。

3 結論

通過數(shù)值模擬對風刀射流風幕特性進行研究，同時也對激光模切工位中粉塵顆粒受射流風幕作用下運動過程進行仿真得出以下結論：

1）射流風幕在同一橫截面上中心軸線處速度最大后向兩邊降低，在同一縱向截面距離風刀出口越遠速度越小。

2）射流風幕由高速中心氣流層和外界卷吸氣流層組成，其中前者氣流寬度較小，但風速高可以直接削減高動能粉塵顆粒速度使其原有運動軌跡改變，后者帶動懸浮在外流場中粉塵顆粒往吸塵罩輸送。

3）通過仿真結果將粉塵顆粒去向歸位4類，去向占比從大到小依次為P1＞P2＞P3＞P4，其中小粒徑顆粒更容易被除塵系統(tǒng)去除，而大粒徑顆粒則更容易逃逸或附著壁面。