彭 松，王炳楠，劉天力，黃 鵬，鄭大元，李金貴

（1.北京奔馳汽車有限公司，北京100176；2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津300380）

烘干室是涂裝車間至關重要的設備， 烘干加熱是否均勻直接關系到涂層顏色的一致性和漆膜性能的優(yōu)劣。由于汽車車身屬于外形較復雜、體積較大的空腔結構件，烘干室想要將其表面的漆膜加熱均勻，獲得優(yōu)質的漆膜質量，就需要優(yōu)質的氣流流場，而進風口布置及噴嘴設置對烘干室內流場影響尤為明顯。 因此，在烘干室設計過程中，有必要針對特定的烘干室結構， 對進風口的布置方式及噴嘴的選用進行對比，從而選出最適合的方案，使烘干室整體減少熱風損耗浪費，更好地秉承節(jié)能減排的設計理念。

1 烘干室結構簡介

烘干室一般由主室體通道、出入口、熱風循環(huán)加熱系統及電控系統四部分組成。 主室體通道是一個保溫箱體，主要包括加熱段和保溫段兩部分；出入口為了防止熱空氣外溢，設置風幕裝置來實現氣封；熱風循環(huán)加熱系統包括加熱裝置、換熱器、風機及熱風管路；電控系統主要是根據涂料性質及工藝要求，監(jiān)控并調節(jié)烘干室內溫度在合適的范圍之內。

本文涉及的烘干室按照外形分類為直通式烘干室（如圖1 所示），主室體主要包括頂部、斜上方、側方、斜下方及底部五部分。 本文通過仿真技術建模研究烘干室主室體斜上方、側方、斜下方及底部是否設置進風口及噴嘴對烘干室內流場的影響，從而得到最佳布置方案， 提高熱空氣與汽車車身的換熱效率，保證漆膜質量，更加節(jié)能環(huán)保，具有重要應用價值。

圖1 特定烘干室結構示意圖

2 進風口及噴嘴布置優(yōu)化方案

本文研究的是進風口布置方式及噴嘴對烘干室內流場的影響，因此噴嘴的口徑、形狀、角度均保持一致。

2.1 斜上方、側方、斜下方、底部均設置進風口及噴嘴

保留烘干室斜上方、側方、斜下方及底部進風口及噴嘴，形成“全開式”進風口及噴嘴布置方式，全面地獲得各個位置進風口的流場情況，其中，烘干室體寬度方向為X 方向，高度方向為Y 方向，長度方向為Z 方向，如圖2 所示。

圖2 烘干室“全開式”布置方式示意圖

2.2 斜上方兩側設置非對沖間隔式進風口及噴嘴

分別關掉斜上方的一個大口徑進風口， 使烘干室形成非對沖間隔式的進風口及噴嘴布置方式，研究斜上方大口徑進風口及噴嘴對整個烘干室流場穩(wěn)定性的影響。

2.3 側方、斜下方、底部分別不設置進風口

保留斜上方設置非對沖間隔式進風口及噴嘴布置，分別關掉側方、斜下方、底部進風口，形成三種關掉某個方向進風口的布置方式，從而判斷側方、斜下方、底部送風是否可以作為一種穩(wěn)定的輔助送風手段。

2.4 斜上方、側方、斜下方、底部分別不設置噴嘴

保留非對沖間隔式的進風口布置方式， 但分別不保留斜上方、側方、斜下方及底部噴嘴，從而判斷是否設置噴嘴對進風口流場分布的影響。

3 烘干室室體數值模擬

從前主要依靠實驗測量和理論分析來獲得設計參考的領域，包括汽車交通、航空航天、土木建筑、流體機械、艦艇船舶等，如今CFD 仿真技術正成為快速獲得解決方案的研究手段。 由于本文研究主要涉及烘干室內流場分布，主要為流體流動過程，因此可以利用CFD 仿真技術進行數值模擬分析。 本研究根據不同進風口及噴嘴布置方案建立幾何模型， 按照實際情況設置進口及出口風速， 通過對比不同方案下的烘干室流場分布以及各進風口截面的最高速度與平均速度變化情況， 獲得最佳的進風口及噴嘴布置方案。

3.1 計算域的確定

由于烘干室整體較長，且具有周期性和重復性，因此選擇一段烘干室作為研究對象建立物理模型，不會影響整個流體仿真的結果。 由于本文研究主要涉及烘干室內空氣流場及進風口截面處流場， 因此在建立物理模型時， 對烘干室部分結構進行簡化處理，移除模型中存在的不影響計算結果的細小特征，而保留需要關注的細節(jié)部分， 包括進出風口的位置及大小、噴嘴形狀、底部分區(qū)的關鍵結構細節(jié)，最終確定計算域。

3.2 網格劃分的計算

計算域確定后，對計算域模型進行網格劃分，利用Fluent Meshing 網格劃分技術， 對進風口、 出風口、進風口截面及噴嘴進行網格加密處理，將面網格傾斜度質量提升到0.65 以下，并最終生成傾斜度質量在0.8 左右的多面體體網格。

3.3 物理模型的選擇

為了簡化物理模型， 烘干室的入口風速處于穩(wěn)態(tài)，烘干室內氣體為不可壓縮流體。在本次烘干室室體數值模擬中，連續(xù)相的流動是基于連續(xù)性方程、動量方程和計算湍流的k-ε 方程進行數值模擬。

3.4 邊界條件的確定

在模型的仿真計算中，烘干室實際風量為24000 m3/h， 左右共12 個面積分別為0.367 m2的進風口，因此計算得烘干室體送風風速為1.51 m/s， 由于烘干室近似處于風平衡狀態(tài)， 通過烘干室上方6 個面積分別為0.75 m2的出風口，可推算出烘干室體出風風速為7.41 m/s，從而確定邊界風速。 將噴嘴截面設置為內部面，將堵住的噴嘴截面設置為墻體。

3.5 初始化并迭代計算

在以上工作進行完畢后，設定監(jiān)控物理量、收斂標準、精度控制等求解參數，并在迭代計算之前進行初始化。

4 烘干室室體結構分析

4.1 斜上方大口徑進風口及噴嘴的最佳布置方式的確定

通過對仿真結果的后處理， 進風口截面流場分布如圖3 所示。

圖3 進風口截面流場分布圖

通過對“全開式”和非對沖“間隔式”的數據對比，包括進風口的流場分布、最大速度、截面流量及烘干室截面流場可知：兩種布置方式斜上方、側方及斜下方進風口截面處均為貼壁向中心速度逐漸增加的分布方式，并體現較好的左右對稱性；“全開式”底部進風口截面存在偏心分布， “間隔式”底部進風口截面偏心分布有所減弱，氣流流動狀態(tài)趨于規(guī)律。

“全開式”及“間隔式”進風口最大速度及截面流量如圖4 所示。 相對于“全開式”，“間隔式”斜上方、側方、 斜下方及底部進風口截面最大速度及截面流量均顯著提高。

圖4 “全開式”及“間隔式”進風口最大速度及截面流量圖

圖5 為兩種布置方式在Z 方向截面流場分布情況。 “全開式”兩側下射氣流在烘干室中心處相遇且互相影響，而“間隔式”避免了這種現象，提高了進風口下射速度，增強了流場的穩(wěn)定性，同時減少了不必要的能量損失。

4.2 不同位置是否設置進風口的確定

通過分別取消側方、斜下方及底部進風口，對比其他進風口截面的數據及烘干室截面的流場狀態(tài)，各位置進風口最大速度和截面流量如圖6 所示。 相對于“間隔式”布置方式，側方、斜下方及底部不設置進風口時， 各位置進風口截面最大速度及截面流量均顯著提高，斜下方不設置進風口時提高幅度最大，底部次之，側方最小。

底部不設置進風口時, 各截面流場分布如圖7所示：底部不設置進風口，烘干室內流場狀態(tài)良好，噴射氣流能較充分發(fā)展，可以達到烘干室各區(qū)域；側方及斜下方不設置進風口時， 流場對稱性雖有所增強，但噴射氣流所影響的范圍明顯減弱，烘干室內氣流速度偏低的區(qū)域明顯增加， 烘干室整體流場狀態(tài)分布較差。

圖5 Z 方向流場分布圖

圖6 各位置進風口最大速度及截面流量圖

4.3 不同位置是否設置噴嘴的確定

由于各位置進風口是否設置噴嘴對流場分布影響結果相同， 故只提供設置與不設置噴嘴的結果對比（如圖8 所示）。不設置噴嘴，截面的最大下射速度降低，氣流剛性減弱，易受到其他進風口噴射氣流的影響。

5 根據模擬結果提出進風口及噴嘴布置方案

根據對進風口及烘干室內截面的模擬仿真結果， 對特定結構的烘干室得出以下優(yōu)化方案：（1）斜上方大口徑進風口采用非對沖的“間隔式”布置方式，盡量減少左右噴射氣流間的相互干擾；（2）側方和斜下方均布置進風口， 作為一種穩(wěn)定的輔助進風手段，底部不設置進風口；（3）各位置進風口均需設置噴嘴，保證噴射氣流的剛性。

為驗證所選優(yōu)化方案可行性， 將加熱工件車放入烘干室體，再次進行仿真模擬，斜上方、側方及斜下方、車身周圍送風效果如圖9～圖11 所示。

由圖9 可知， 烘干室體左右兩側斜上方進風口所送熱風，可通過車窗直接送達加熱工件車內，與加熱工件內部充分接觸， 保證加熱工件內部充分均勻受熱。由圖10 可知，烘干室體側方進風口所送熱風，可直接吹到加熱工件側方對車體左右兩側加熱，而斜下方進風口所送熱風針對加熱工件底盤及裙邊，可以達到良好的加熱效果。 由圖11 可知，優(yōu)化方案進風口所送熱風，均與加熱工件實現良好接觸，車身內部、側方及底部均可充分均勻受熱，未出現熱風與工件沒有充分接觸就被出風口帶入三元體及四元體，造成不必要的能源浪費的現象。 綜上所述，該烘干室體所選優(yōu)化方案具有可行性。

6 結語

本文通過模擬仿真及理論分析，得出非對沖“間隔式”的大口徑進風口布置，側方和斜下方設置進風口作為穩(wěn)定的輔助送風手段，進風口設置噴嘴，均有利于烘干室內形成優(yōu)質的空氣流場分布。

圖7 各截面流場分布圖

圖8 設置噴嘴與不設置噴嘴截面流場分布對比圖

圖9 斜上方送風口送風效果圖

圖10 側方及斜下方送風口送風效果圖

圖11 車身周圍所送熱風效果圖

良好的烘干室進風口及噴嘴布置方式， 有利于提高烘干室內循環(huán)熱風的利用效率， 降低循環(huán)風機等動力設備的能量損耗， 保證車身表面獲得優(yōu)質的漆膜質量，在行業(yè)中具有推廣價值。