等距型鋁箔廢邊收集裝置擋板優(yōu)化設(shè)計(jì)

常玲玲，劉 躍

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

近年來(lái)，鋁箔由于綠色環(huán)保、可再生等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、電子等行業(yè)。鋁箔加工生產(chǎn)流程較多，如涂層、烘干、冷卻、卷取等。其中，分切卷取是將鋁箔裁剪成不同尺寸以適應(yīng)不同行業(yè)需求的關(guān)鍵流程，分切主要使用鋁箔剪切機(jī)，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，剪切機(jī)運(yùn)行時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生廢邊，廢邊累積會(huì)明顯影響鋁箔分剪質(zhì)量及效率[1]，早期需要剪切機(jī)經(jīng)常停機(jī)來(lái)清掃廢邊，后續(xù)學(xué)者逐漸設(shè)計(jì)、改進(jìn)了專門的鋁箔廢邊收集裝置，如改變兩個(gè)支管前部擋板的高度比例可基本實(shí)現(xiàn)兩個(gè)支管負(fù)壓分布及吸力均勻性[2]；而經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的等距型管路設(shè)計(jì)為支管口與共用出口距離相等，支管口吸力差距很小，可較好地完成鋁箔廢邊收集任務(wù)[3，4]。經(jīng)過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有鋁箔廢邊收集管路工作原理主要為通過(guò)改變管內(nèi)擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變局部壓力-速度耦合分布來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓及支管吸力。對(duì)于表現(xiàn)較好的等距型管路而言，其支管共用出口處結(jié)構(gòu)決定了裝置的整體性能，但尚未見對(duì)等距型管路共用出口處擋板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)討論，這對(duì)深入了解鋁箔廢邊管路流場(chǎng)特征及提高廢邊收集效率是不利的。

本文針對(duì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的送氣式等距型鋁箔廢邊收集裝置，采用工程中常用的計(jì)算流體力學(xué)方法(Computational Fluids Dynamics，CFD)對(duì)氣流輸運(yùn)流場(chǎng)進(jìn)行分析[5]。重點(diǎn)分析支管共用出口處不同擋板結(jié)構(gòu)對(duì)管路壓力-速度分布的影響規(guī)律，進(jìn)而獲得不同流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生原因及擋板布置對(duì)支管吸力的影響規(guī)律，為鋁箔剪切機(jī)設(shè)備改進(jìn)及企業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

圖1為鋁箔剪切機(jī)及廢邊收集裝置局部放大圖，剪切機(jī)使用碟形刀分切鋁箔，產(chǎn)生的廢邊通過(guò)收集裝置進(jìn)行處理。文中使用的等距型廢邊收集裝置的幾何模型如圖2所示，該方形管路主要由主管及兩個(gè)支管(P1、P2)組成，主管邊長(zhǎng)設(shè)計(jì)為90 mm，兩個(gè)支管尺寸為90 mm×40 mm。兩個(gè)支管中心軸線間距為1 000 mm以適應(yīng)雙碟形刀位置。在兩個(gè)支管間設(shè)置等距出口，并設(shè)置前、后擋板，在工作時(shí)將鼓風(fēng)機(jī)裝于進(jìn)口位置，輸送氣流受擋板作用產(chǎn)生局部負(fù)壓，進(jìn)而在支管口產(chǎn)生吸力。鼓風(fēng)機(jī)氣流輸送功率參考常用工業(yè)吸塵器功率進(jìn)行設(shè)置[6]，文中取2.2 kW，對(duì)應(yīng)氣流輸送量為320 m3/h。

圖1 鋁箔剪切機(jī)及廢邊收集裝置局部放大圖

1.2 數(shù)值模型

使用Pointwise軟件進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分，文中三維管路網(wǎng)格如圖3所示，主要為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在彎管處采用混合網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量，為了充分考慮壁面作用對(duì)氣流流態(tài)的影響，單獨(dú)劃分近壁區(qū)網(wǎng)格，并對(duì)較關(guān)心的支管處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。使用Fluent軟件求解不可壓縮流體N-S方程組，湍流模型使用對(duì)旋流模擬較好的RNGk-ε模型，方程離散采用二階迎風(fēng)格式[7]。此外，在邊界設(shè)置方面，進(jìn)口為固定速度條件，出口為壓力出口，兩個(gè)支管口設(shè)置為壓力進(jìn)口，擋板及外壁設(shè)置為壁面邊界。

圖2 廢邊收集裝置幾何模型

圖3 局部計(jì)算網(wǎng)格

1.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中使用的數(shù)值模型對(duì)鋁箔廢邊收集管路計(jì)算的適用性，課題組設(shè)計(jì)加工出共用出口前、后擋板高度均為0 mm(計(jì)算1)的裝置樣品，并使用鉆孔方法將高精度氣壓傳感器安置于支管口側(cè)壁測(cè)量了兩個(gè)支管口處的速度值。速度模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比如圖4所示，模擬值分別為-1.40 m/s和-1.41 m/s，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為-1.21 m/s和-1.19 m/s。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，證明了本文中使用的數(shù)值方法是可行的。

1.4 計(jì)算工況

文中計(jì)算了不同前擋板高度h1及后擋板高度h2對(duì)等距型鋁箔廢邊收集裝置工作性能的影響，為了便于后文敘述，現(xiàn)將計(jì)算工況約定如下：

計(jì)算1：前擋板高度h1=0 mm，后擋板高度h2=0 mm。

計(jì)算2：前擋板高度h1=10 mm，后擋板高度h2=0 mm。

計(jì)算3：前擋板高度h1=25 mm，后擋板高度h2=0 mm。

計(jì)算4：前擋板高度h1=25 mm，后擋板高度h2=15 mm。

計(jì)算5：前擋板高度h1=25 mm，后擋板高度h2=25 mm。

2 計(jì)算結(jié)果分析

使用上述數(shù)值模型對(duì)鋁箔廢邊收集流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，文中坐標(biāo)系(如圖3所示)設(shè)置為以進(jìn)口截面中心為原點(diǎn)，沿出口方向?yàn)閤正方向，縱向向上為y正方向，橫向垂直方向?yàn)閦方向。此外，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率及截面面積計(jì)算的氣流初始速度為管路初始速度U(10.97 m/s，0 m/s，0 m/s)，文中規(guī)定氣流速度方向與坐標(biāo)正負(fù)一致，具體計(jì)算結(jié)果及討論如下。

2.1 前部擋板

圖5和圖6給出了計(jì)算1和計(jì)算2條件下，即后部擋板高度設(shè)置為h2=0 mm，前部擋板高度分別設(shè)置為h1=0 mm及h1=10 mm時(shí)中心截面壓力及速度分布。由圖5和圖6可以看到：不設(shè)置擋板時(shí)，主管氣流受中間支管區(qū)域影響，輸送面積減小，速度增大，在共用出口處產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生支管口吸力，但可以看到該設(shè)置下負(fù)壓及支管縱向速度均較??；隨著前部擋板高度增加，主管氣流輸送面積進(jìn)一步減小，氣流速度增大并在擋板后部產(chǎn)生膨脹，使得負(fù)壓值及支管速度值明顯增大。

圖5 計(jì)算1中心截面壓力及速度云圖

圖6 計(jì)算2中心截面壓力及速度云圖

圖7給出了固定后部擋板高度為0 mm，前部擋板高度增加時(shí)(計(jì)算1～計(jì)算3)特征線上(空間直線端點(diǎn)坐標(biāo)為(0 mm，10 mm，0 mm)～(1 950 mm，10 mm，0 mm))共用出口及支管附近壓力及速度量化值。整體來(lái)看壓力與速度分布呈現(xiàn)出大小對(duì)應(yīng)的耦合特征。前部擋板高度為0 mm時(shí)，負(fù)壓量值非常小，對(duì)應(yīng)較小的支管速度，隨著前部擋板高度增加，相同位置處負(fù)壓值及縱向速度均出現(xiàn)增大趨勢(shì)，這與云圖結(jié)果一致。

圖8給出了計(jì)算1(h1=0 mm)及計(jì)算2(h1=10 mm)條件時(shí)的共用出口處速度矢量圖，可以看到h1=0 mm時(shí)輸送通道主要被主管氣流占據(jù)，隨著前部擋板高度增加，出現(xiàn)支管氣流明顯增多、與主管氣流共用輸送通道的現(xiàn)象，這也從流體“連續(xù)”性特征方面反映出前部擋板高度增加有利于支管氣流流量的增加，進(jìn)而增大了氣流速度及吸力。

2.2 后部擋板

圖9、圖10給出了計(jì)算4和計(jì)算5條件下，即前部擋板高度設(shè)置為h1=25 mm，后部擋板高度分別設(shè)置為h2=15 mm及25 mm時(shí)中心截面壓力和速度云圖。整體來(lái)看，設(shè)置后部擋板時(shí)，管內(nèi)仍然可以產(chǎn)生負(fù)壓及支管吸力，但仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，隨著后部擋板增高，共用出口處負(fù)壓值逐漸減小，縱向速度減小，這也意味著支管處的負(fù)壓值及吸力減小。

圖7 計(jì)算1～計(jì)算3特征線上壓力及速度量化值

圖8 不同高度前部擋板時(shí)出口處速度矢量圖

圖9 計(jì)算4中心截面壓力及速度云圖

圖10 計(jì)算5中心截面壓力及速度云圖

圖11給出了固定前部擋板高度為25 mm，后部擋板高度增加時(shí)(計(jì)算3～計(jì)算5)特征線上(空間直線端點(diǎn)坐標(biāo)為(0 mm，10 mm，0 mm)～(1 950 mm，10 mm，0 mm)，共用出口及支管附近壓力及速度量化值。經(jīng)過(guò)分析可以看到與前部擋板相反的發(fā)展特征，雖然兩個(gè)支管附近區(qū)域仍然產(chǎn)生“對(duì)稱”分布的負(fù)壓及速度，但隨著后部擋板高度增加，管內(nèi)相同位置處的負(fù)壓及縱向速度值均減小。這與云圖分析結(jié)果也是一致的，說(shuō)明設(shè)置后部擋板不利于管內(nèi)負(fù)壓利用。

圖11 計(jì)算3～計(jì)算5特征線上壓力及速度量化值

圖12給出了計(jì)算4(h2=15 mm)及計(jì)算5(h2=25 mm)條件時(shí)的共用出口處速度矢量圖，可以看到設(shè)置后部擋板時(shí)，支管氣流需要繞過(guò)后部擋板進(jìn)入主管輸送通道，在擋板后部形成較大的低速渦流區(qū)，能量耗散較大，這種現(xiàn)象在h2=25 mm結(jié)果中更明顯。由以上分析可知后部擋板沒有起到疏導(dǎo)作用，反而阻礙了氣流的輸送，這也就是圖10與圖11中后部擋板高度增加時(shí)支管負(fù)壓及速度均降低的原因。

圖12 不同高度后部擋板時(shí)出口處速度矢量圖

表1給出了不同計(jì)算工況時(shí)兩個(gè)支管口縱向速度值，可以更加直觀地看出適當(dāng)增加前部擋板高度可以獲得更大的支管速度及吸力，而增加后部擋板高度會(huì)導(dǎo)致相反結(jié)果。此外，可以看到不同擋板高度時(shí)支管速度值差異均較小，說(shuō)明改變擋板高度對(duì)支管吸力均勻性幾乎沒有影響。

表1 不同擋板結(jié)構(gòu)時(shí)兩個(gè)支管縱向速度對(duì)比m/s

3 結(jié)論

文中使用CFD方法計(jì)算了等距型鋁箔廢邊收集管路的壓力-速度耦合流場(chǎng)，重點(diǎn)分析了使用不同共用出口擋板結(jié)構(gòu)時(shí)的物理量分布特征及其對(duì)支管吸力的影響規(guī)律。本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明出口處擋板結(jié)構(gòu)對(duì)支管負(fù)壓分布及速度值具有明顯影響，主要得出以下結(jié)論：

(1) 在支管共用出口設(shè)置前部擋板可增大局部氣流速度并獲得負(fù)壓。隨著前部擋板高度增加，支管負(fù)壓及吸力增加，在管壁強(qiáng)度允許條件下，應(yīng)盡量增加前部擋板高度。

(2) 在支管共用出口設(shè)置后部擋板會(huì)阻礙氣流輸送，并形成較大低速回流區(qū)，能量損失較大。隨著后部擋板高度增加，支管口負(fù)壓及吸力減小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)不建議設(shè)置后部擋板。

(3) 在等距型管路中，改變擋板結(jié)構(gòu)主要影響共用出口處的負(fù)壓分布，進(jìn)而影響支管工作，但對(duì)支管速度及吸力均勻性幾乎沒有影響。