謝碧洪，梁忠偉，劉曉初，蕭金瑞，黃駿，陳志斌

(1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東羅定527200;2.廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006)

氣壓式送料罐是將單一或多種物料充分混合后高速噴出的罐體。該罐體常用于表面強化、表面微處理、表面清潔等設(shè)備上，例如噴丸、噴砂設(shè)備［1］。氣壓式送料罐示意圖如圖1所示。

圖1 氣壓式送料罐工作原理圖

其工作原理為:物料(如研磨液和鋼珠或砂)從進料口1 置入，高壓氣體(試驗中選取0.6 MPa 大小的壓縮空氣)主要經(jīng)進氣管3 驅(qū)動浮動球閥2，使球閥沿進氣管道上移關(guān)閉進料口，使送料罐幾乎處于封閉狀態(tài)。高壓氣體從浮動球閥管道與進氣管道之間間隙噴入儲料罐，隨著高壓氣體持續(xù)噴入，送料罐內(nèi)的氣壓逐漸增大并形成回轉(zhuǎn)渦流，帶動物料進行回轉(zhuǎn)混合，后物料經(jīng)下料口8 進入出氣管5;部分高壓氣體經(jīng)支管4 帶動物料進入出氣管，后通過高壓噴頭高速噴向工件表面，實現(xiàn)噴丸、噴砂等工藝。

1 現(xiàn)有送料罐結(jié)構(gòu)缺陷

現(xiàn)有送料罐結(jié)構(gòu)如圖2所示。在實際加工過程中，由于物料是由性能差異較大的材料所組成，使得物料黏度大、易結(jié)塊，甚至堵塞噴射管?，F(xiàn)有送料罐底部平坦的結(jié)構(gòu)設(shè)計容易使結(jié)塊的物料沉積在送料罐底部(如圖3所示)，從而造成該部分物料不能進入循環(huán)，大大降低了物料的使用率，造成物料的浪費。

圖2 送料罐實物圖

圖3 罐內(nèi)殘留的混合物

基于以上原因，有必要對送料罐進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化的方案是在送料罐的底部設(shè)計合理的錐度。由于送料罐的內(nèi)部流場、渦流黏度對底部殘留的物料具有較明顯的作用，因此利用ANSYS CFX 對不同錐度送料罐內(nèi)部流場進行分析，掌握罐體內(nèi)部流場的流動規(guī)律，為最優(yōu)設(shè)計方案提供有價值的參考［2］。

2 控制方程

根據(jù)雷諾方程計算送料罐體的雷諾數(shù)［3］

式中:v為截面的平均速度;

d為管道直徑;

ν 為流體的運動黏度。

由于計算所得送料罐體的雷諾數(shù)遠遠大于臨界雷諾數(shù)2 320，所以罐體內(nèi)部流場為三維定常不可壓縮紊流場。流場采用標(biāo)準(zhǔn)k- ε(2epn)紊流模型、雷諾時均N-S 方程和壓力-速度耦合半隱式SINPLE 算法去模擬分析。控制方式通式如式(2)所示［4-7］，各控制方程參數(shù)如表1所示。

表1 控制方程參數(shù)

其中:ρ 為流體的密度;

μ 為動力黏度;

k為紊流動能;

ε 為黏性耗散;

u、v、w分別為直角坐標(biāo)系上x、y、z方向上的速度分量;

Fi為各個方向上的質(zhì)量力;

σk=1.0，σε=1.3;

C1=1.44，C2=1.92;

μt=ρk20.09/ε。

3 計算模型的建立

圖4 送料罐底部錐度示意圖

如圖4所示，為簡化計算，將送料罐底部結(jié)構(gòu)抽象成一個錐形圓臺模型，已知圓臺上端面外徑d1=252 mm，下料管外徑d2=32 mm，hn為圓臺模型上端面與下端面的高度，且h0=45 mm，hn高度控制式(3)如下:

hn=45 +20n(n取整數(shù))(3)

假設(shè)Δh為圓臺模型上、下端面高度h的增量且Δh值取20 mm，因此送料罐底部錐度C的控制式(4)如下:

通過式(3)和(4)，可求解得送料罐錐度C。由于考慮到n≥5 超出現(xiàn)有設(shè)備的安裝尺寸，所以只選取n≤4 這5 個錐度進行數(shù)值模擬優(yōu)化，為設(shè)計更合理的送料罐提供數(shù)據(jù)。表2 為對應(yīng)5 個n值計算所得的各個錐度值。

表2 各個數(shù)值的錐度

4 邊界條件與數(shù)值計算

4.1 網(wǎng)格劃分

先在三維軟件Pro/E 中建立模型，然后導(dǎo)出stp/igs 的中間格式文件，再導(dǎo)入到ANSYS CFX 中，利用CFX 自帶網(wǎng)格工具進行劃分。網(wǎng)格的劃分是基于CFD 計算流體動力學(xué)計算的網(wǎng)格形狀控制，運用Tentrahedrons 四面體網(wǎng)格劃分中的Patch Conforming法進行三維幾何劃分，此方法可以考慮所有的面和邊(盡管在收縮控制和虛擬拓?fù)鋾r會改變且默認(rèn)損傷外貌基于最小尺寸限制)，并且會在多部件中盡可能結(jié)合使用掃掠方法生成共形的混合四面體/棱柱和六面體網(wǎng)格，另外此方法還帶高級尺寸功能。所以用此方法對罐體進行網(wǎng)格劃分，能很好地提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度。對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分的節(jié)點數(shù)為121 247，單元數(shù)為626 160。圖5 為單元質(zhì)量圖，圖中接近1 的百分比越高，說明網(wǎng)格質(zhì)量越好［3］。

圖5 網(wǎng)格單元質(zhì)量圖

4.2 邊界條件

整個罐體模型網(wǎng)格區(qū)域定義為一個流體域，內(nèi)部工作環(huán)境壓力為1 個大氣壓(0.1 MPa)，并且計算過程中忽略重力影響。定義入口流體速度為20 m/s，出口為自由邊界條件(opening)。在近壁面區(qū)采用scalable 的wall function 壁函數(shù)，以減小計算機內(nèi)存要求和提高計算效率［2］。

圖6 邊界條件

4.3 計算結(jié)果及分析

先標(biāo)準(zhǔn)初始化，設(shè)置Number of Iterations 迭代的次數(shù)都為100 步，Reporting Interval 使用間隔時間為1 s，Profile Update Interval 剖面更新間隔為1 s。n=0時是原始送料罐，在此用1≤n≤4 的罐體與n=0 的罐體作比較分析，以獲得流場最優(yōu)、渦流黏度最小的罐體。圖7—21 為各個錐度的流場結(jié)果圖。

圖7 n=0 速度流線圖

圖8 n=1 速度流線圖

圖9 n=2 速度流線圖

圖10 n=3 速度流線圖

圖11 n=4 速度流線圖

圖12 n=0 速度矢量圖

圖13 n=1 速度矢量圖

圖14 n=2 速度矢量圖

圖15 n=3 速度矢量圖

圖16 n=4 速度矢量圖

圖17 n=0 渦流黏度圖

圖18 n=1 渦流黏度圖

圖19 n=2 渦流黏度圖

圖20 n=3 渦流黏度圖

圖21 n=4 渦流黏度圖

圖7—21 右下的U 形支管是進氣的一個分支，它繞過了罐體直接與出氣管聯(lián)接，目的是為了使從罐體內(nèi)噴射出來的物料能順利地從出口噴射出去。

比較圖7—11 的速度流線圖，當(dāng)n=3 時的錐度流場是最均勻的，能使罐內(nèi)的物料被“攪拌”均勻，并且能穩(wěn)定地噴射出去。此外穩(wěn)定、均勻的流場還能使設(shè)備工作平穩(wěn)，延長壽命。其他錐度的罐子例如n=4的流場主要集中在中間位置，會造成流場不均勻并且物料被“攪拌”不均勻;n=0、1、2 的流場也不均勻，會引起設(shè)備工作振動，影響整個設(shè)備的壽命與安全［8-9］。

圖12—16 為各個錐度的速度矢量圖，n=0、4的流場方向比較單一，二次流和二次漩渦比較少;n=1、2、3 的矢量圖大概差不多，但n=1(圖13 箭頭所指位置)的矢量比較亂，會對罐體與出導(dǎo)管的交接形成強大的沖擊，影響壽命;n=3 的二次流和二次漩渦比n=2 的要多，從而n=3 罐體更能使物料混合充分［10］。

圖17—21 為各錐度的渦流黏度圖，n=0 的黏性分布極不合理，n=1(箭頭指的位置)會因為黏度比較集中引起大量堆積;n=2、4 長時間工作由于箭頭所指的位置黏度非常高，可能會引起堵塞現(xiàn)象;而n=3 是最合理的，黏度比較低，并且分布在罐體內(nèi)部不易產(chǎn)生堆積的位置。

通過對上述5 個錐度的各個物理量的對比分析，最終選擇n=3，錐度為C3=2.10∶1 的罐體，并制造了經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的氣壓式送料罐主體，如圖22所示。

圖22 舊罐體(左)與新罐體(右)

通過試驗，驗證了優(yōu)化后的新罐體相比舊罐子工作要更加平穩(wěn)，并且罐內(nèi)殘留物明顯減少了，如圖23所示，達到了設(shè)計預(yù)期效果。

圖23 新型罐體試驗后結(jié)果圖

5 結(jié)論

(1)ANSYS CFX 軟件能有效地反映氣壓式送料罐內(nèi)部的三維紊流流場，揭示了內(nèi)部流場的速度流線、速度矢量和渦流黏度分布規(guī)律，為設(shè)計出更加合理的罐體提供重要依據(jù)。

(2)重新設(shè)計的新罐體的試驗效果與預(yù)測結(jié)果非常接近，從而驗證了利用ANSYS CFX 軟件對氣壓式送料罐內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬的可行性和有效性。

(3)通過對氣壓式送料罐內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，分析流場對罐體的影響，減少了對設(shè)計經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)的依賴，達到了縮短研制周期、降低研發(fā)成本的目的。

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