伍彬 丁云飛 吳會軍 周興和

1廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

2廣東蓉勝超微線材股份有限公司

0 引言

漆包線作為一種電磁能轉(zhuǎn)換和信號傳輸過程中必不可少的電工材料，其廣泛應(yīng)用于各種電器、電機(jī)、繼電器、變壓器等電子產(chǎn)品及其零配件的線圈繞組中。漆包線的生產(chǎn)經(jīng)過拉線、上漆、烘焙、冷卻等幾個(gè)過程[1]，其中烘焙過程在高溫烘爐內(nèi)完成。當(dāng)漆包線高速通過烘爐時(shí)，會誘導(dǎo)部分爐內(nèi)有機(jī)廢氣（主要成分是甲酚、二甲苯）進(jìn)入室內(nèi)，污染生產(chǎn)環(huán)境。本文通過建立漆包線運(yùn)動過程數(shù)學(xué)模型，對漆包線在烘爐出口段的空氣誘導(dǎo)過程進(jìn)行了模擬，獲得漆包線不同線徑和速度條件下烘爐出口段的氣流分布，并針對性地提出了防止?fàn)t內(nèi)氣體被誘導(dǎo)出烘爐的措施和方法。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 工作過程

圖1為漆包機(jī)烘爐的結(jié)構(gòu)模型，由于本文著重研究漆包線在烘爐出口處所誘導(dǎo)出爐膛的有機(jī)廢氣量，所以僅以烘爐出口段作為模擬對象。出口段結(jié)構(gòu)如圖2所示，幾何尺寸為0.02m×0.15m×0.2m。烘爐工作時(shí)漆包線的直徑為0.05m～0.8m，線速分為高速線速和低速線速，具體參數(shù)見表1。

圖1 漆包線烘爐結(jié)構(gòu)圖

圖2 烘爐出口段模型圖

表1 漆包線線徑和速度對應(yīng)表

1.2 數(shù)學(xué)方程

控制方程可以寫成如下的通用形式[2]：

式中：Ф 為通用因變量，本文中 Ф={u，v，w，k，ε，T，表示不穩(wěn)態(tài)項(xiàng)表示對流項(xiàng)；div(ΓΦ,effgradФ)表示擴(kuò)散項(xiàng)；SΦ表示源項(xiàng)。各方程之間的區(qū)別在于各自的對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)的不同。本文模擬的流場可視為三維、非穩(wěn)態(tài)過程，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程，控制方程主要包括連續(xù)性方程，動量方程，k方程和ε方程。

利用PHOENICS軟件進(jìn)行模擬時(shí)，對邊界條件的處理采用附加源項(xiàng)法，將邊界上的未知量從方程中消去，并在臨近邊界的節(jié)點(diǎn)方程中添加源項(xiàng)。附加源項(xiàng)的統(tǒng)一形式為：

式中：Cp為外界與邊界臨點(diǎn)上的質(zhì)量流量系數(shù)；Vp為邊界臨點(diǎn)壓力；CΦ為邊界條件化為附加源項(xiàng)式的相應(yīng)系數(shù)；VΦ為邊界上變量Φ；Φp為邊界上變量Φ的值。

運(yùn)動的漆包線需要自定義源項(xiàng)，采用PHOENICS特有的MOF功能模擬模型中運(yùn)動的漆包線，編寫MOF文件設(shè)定漆包線的運(yùn)動，爐膛出口壁面為固體壁面，采用壁面函數(shù)法處理，出口規(guī)定為自由出口。網(wǎng)格由PHOENICS自動生成，在漆包線附近加密網(wǎng)格。

通過inform功能在模型的進(jìn)口、出口及風(fēng)口處即在Z=0.2m、Z=0.38m、Z=0.4m處設(shè)置自定義的流量監(jiān)測面來監(jiān)測流量，計(jì)算完成后會自動生成氣流量的數(shù)據(jù)文件inforout，3個(gè)監(jiān)測面Z方向從左至右流量分別是 VOL1、VOL2和 VOL3。

2 結(jié)果和討論

2.1 模擬結(jié)果

圖3是線徑0.8mm，速度為150m/min工況下的模擬結(jié)果。

圖3 漆包線運(yùn)功過程速度分布云圖

由圖3可以看出漆包線從左側(cè)進(jìn)入烘爐爐膛，以設(shè)定的速度向右運(yùn)動時(shí)，漆包線周圍的氣體隨之一起向右運(yùn)動，且在漆包線徑向存在較大的速度梯度，如圖4所示。在此工況下得到Z=0.2m截面、Z=0.38m截面、Z=0.4m截面對應(yīng)的誘導(dǎo)氣流量分別為3.48×10-5kg/s、3.58×10-5kg/s、3.52×10-5kg/s，可見各截面的誘導(dǎo)氣流量數(shù)據(jù)基本相同，本文選取出口處Z=0.4m截面誘導(dǎo)氣流量作為分析數(shù)據(jù)，在常規(guī)線速和高速線速下，不同線規(guī)漆包線誘導(dǎo)氣流量分布見圖5、圖6。

圖4 漆包線徑向氣流速度分布

圖5 常規(guī)線速下不同線規(guī)誘導(dǎo)氣流量

圖6 高速線速下不同線規(guī)誘導(dǎo)氣流量

根據(jù)圖5、圖6并結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可以看出，出口處漆包線誘導(dǎo)流出爐膛的氣流量隨著線徑和線速的變化而變化，線徑小且線速高的線規(guī)，其誘導(dǎo)氣流量較高，相同線徑時(shí)，高速工況其誘導(dǎo)氣流量顯著高于低速工況。

上述數(shù)據(jù)僅是一根漆包線的運(yùn)行分析數(shù)據(jù)，當(dāng)一臺漆包機(jī)有多個(gè)線頭同時(shí)工作，廠房安裝有多臺漆包機(jī)時(shí)，由于漆包線的高速誘導(dǎo)作用而進(jìn)入廠房的污染氣體數(shù)量將對室內(nèi)空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

2.2 改善措施及效果分析

為減少漆包線運(yùn)動誘導(dǎo)帶出的有機(jī)廢氣流量，在烘爐出口上下側(cè)各安裝一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口尺寸為0.02m×0.15m，進(jìn)風(fēng)與爐膛水平面呈一定角度吹向-Z方向（即進(jìn)風(fēng)在Z方向的速度分量與漆包線運(yùn)動的速度方向相反），速度大小由漆包線線規(guī)決定，采取改善措施后物理模型如圖7。

選取出口處誘導(dǎo)氣流量最大對應(yīng)線規(guī)條件下（線徑0.3mm，線速450m/min）進(jìn)行運(yùn)行過程模擬，進(jìn)口風(fēng)速在6～10m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)風(fēng)口與Z軸夾角在37～65°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖7 采取改善措施后烘爐出口段模型圖

圖8為進(jìn)風(fēng)口與Z軸間的夾角為53°時(shí)誘導(dǎo)氣流量隨進(jìn)口風(fēng)速變化曲線圖，圖9為進(jìn)口風(fēng)速為8.5m/s時(shí)誘導(dǎo)氣流量隨進(jìn)口風(fēng)速變化曲線圖，結(jié)合圖8、圖9可以看出，隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，以及進(jìn)風(fēng)口與Z軸間的夾角的增大，監(jiān)測面監(jiān)測到的誘導(dǎo)氣流量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速達(dá)到8.5m/s，進(jìn)風(fēng)口與Z軸間的夾角為53°時(shí)，此時(shí)監(jiān)測誘導(dǎo)氣流量達(dá)到最低，僅為7.13×10-7kg/s，占原來誘導(dǎo)氣流量的1.23%。

圖8 不同進(jìn)口風(fēng)速條件下誘導(dǎo)氣流量的變化

圖9 不同進(jìn)口角度條件下誘導(dǎo)氣流量的變化

圖10 圖

圖10是進(jìn)口風(fēng)速為8.5m/s、進(jìn)風(fēng)口與Z軸夾角為53°時(shí)的模擬結(jié)果，由圖可以看出，漆包線從左側(cè)進(jìn)入烘爐爐膛，運(yùn)動到進(jìn)風(fēng)口處時(shí)，漆包線周圍誘導(dǎo)氣流遇到從進(jìn)風(fēng)口吹出的氣流阻擋，漆包線周圍誘導(dǎo)氣流速度趨于0，這表面所設(shè)置的進(jìn)風(fēng)口能有效阻擋漆包線誘導(dǎo)污染氣體進(jìn)入廠房內(nèi)，保護(hù)了室內(nèi)環(huán)境。

3 結(jié)論

針對漆包線烘焙過程中會從烘爐爐膛誘導(dǎo)污染氣體進(jìn)入車間的的實(shí)際工藝過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同線規(guī)條件下漆包線誘導(dǎo)氣體量，并針對性地在爐膛出口設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，阻擋誘導(dǎo)空氣進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境，模擬結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口與爐膛軸線夾角為53°，進(jìn)口風(fēng)速為8.5m/s時(shí)，漆包線誘導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)的污染氣體量最小，可以有效改善室內(nèi)環(huán)境。

[1] 樓南壽,凌春華,付金棟,等.綠色化學(xué)與漆包線絕緣漆的制造[J].電線電纜,2005,(4):8-11

[2] 段雪淘,鄔志敏,劉道平,等.板帶式速凍機(jī)空栽狀況下速度場的數(shù)值模擬[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(2):131-134

[3] 劉啟覺,王繼煥.料氣射流誘導(dǎo)空氣量的計(jì)算[J].武漢食品工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1994,(1):60-64

[4] 費(fèi)祥麟.高等流體力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1989