常玲玲，劉 躍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院計算機與軟件學院，陜西 西安 710300)

近年來，鋁箔由于綠色環(huán)保、可再生等特點被廣泛應用于食品、醫(yī)療、電子等行業(yè)。經過長足發(fā)展，我國鋁箔生產工藝、生產設備已逐步系統化、完善化，形成了專門的軋制、涂層、開卷、分切等模塊[1]。其中，分切過程是將鋁箔分剪成不同尺寸以適應不同行業(yè)需求的關鍵流程。分切主要使用鋁箔剪切機，通過觀察可以發(fā)現，剪切機工作時不可避免地會產生碎屑，而長時間運行累積的碎屑會明顯影響鋁箔分剪質量及工作效率。經過不斷優(yōu)化改進，目前鋁箔碎屑收集裝置可基本實現支管吸力均勻的要求[2-4]，但現有成果在收集裝置動力輸送方面比較單一，主要方式為在管路進口設置送風機，通過管內局部壓力-速度耦合變化產生負壓，進而產生吸力。而這一狀況對提高鋁箔碎屑收集裝置的適用性及企業(yè)可選擇性是不利的。

本文擬采用工程中常用的計算流體動力學(computational fluids dynamics，CFD)方法對鋁箔剪切機碎屑收集管路流場進行分析[5]。重點對比送風式及吸風式管路的壓力-速度分布規(guī)律，進而獲得不同流動現象產生原因及不同結構對支管附近速度及吸力的影響規(guī)律，為鋁箔剪切機設備改進提供參考。

1 計算模型

1.1 數值模型

圖1為鋁箔剪切機及碎屑收集裝置工作示意圖，由圖可知，碟形刀分切鋁箔過程中不可避免地會產生碎屑，碎屑可通過收集裝置進行處理。文中計算使用的碎屑收集裝置[2]如圖2上部所示，該方形管路由主管及兩個支管(P1、P2)組成，主管邊長設計為90 mm，兩個支管尺寸為90 mm×40 mm。為了適應剪切機雙碟形刀的工作位置，以管路送風口截面中心為坐標原點，沿出口方向為x軸正方向，支管P1的軸線與主管軸線交點坐標為(280 mm，0 mm，0 mm)，支管P2的軸線與主管軸線交點坐標為(1 280 mm，0 mm，0 mm)。該裝置特點為給兩個支管設置等距出口，并設置擋板，以達到兩個支管等分負壓的目的。文中送風式管路為在圖2所示左側送風口安裝送風式鼓風機，將氣流“吹”入管內；吸風式管路為在吸風口安裝吸風式鼓風機，將氣流從管中“吸”出。鼓風機氣流輸送功率參考常用工業(yè)吸塵器功率進行設置[6]，本文取2.2 kW，對應氣流輸送量為320 m3/h。

圖1 鋁箔剪切機及碎屑收集裝置

圖2 仿真模型及網格

本文中三維管路數值計算網格劃分情況如圖2下部所示，網格主要為六面體結構網格，在彎管處采用混合網格以提高網格質量。為了充分考慮壁面作用對氣流流態(tài)的影響，單獨劃分了近壁區(qū)網格，并對較關心的支管處網格進行了加密處理。為求解不可壓流體N-S方程，湍流模型使用對旋流模擬效果較好的RNGk-ε模型，方程離散采用二階迎風格式[7]。

1.2 模型驗證

為了驗證文中所用數值模型在鋁箔碎屑收集管路計算中的合理性，課題組設計并加工出送風式管路樣品(具體結構見后文)，并使用鉆孔方法將高精度氣壓傳感器(圖3)安置于支管口側壁用于測量兩個支管口處的壓力值。兩個支管口平均壓力的模擬值與實驗值的對比如圖4所示。數值結果具體為(-19.68 Pa，-19.57 Pa)，實驗結果具體為(-19.12 Pa，-18.96 Pa)，通過比較可以發(fā)現數值結果與實驗結果誤差在5%以內，這說明本文中使用的數值方法是可行的。

圖3 氣壓傳感器

圖4 數值結果與測量值對比

2 計算結果分析

為了便于觀察及比較，圖5及圖6分別給出了送風式和吸風式管路的核心結構，送風式結構為目前常用的結構，風機輸送氣流及支管吸入氣流共用主管通道；吸風式管路主要通過支管與大氣連通。從裝置結構及加工工藝方面來看，送風式裝置可將鋁箔碎屑直接“吹”出主管，在出口處簡單設置收納裝置即可完成碎屑收集工作；對于吸風式結構，碎屑需要經過風機系統，且其終端收納裝置較復雜。

圖5 送風式管路核心結構

圖6 吸風式管路核心結構

為了獲得兩種管路的內部流態(tài)及工作特征，使用前述數值模型分別對其進行計算，本文規(guī)定氣流方向為沿坐標軸正向取正值，由進氣口面積、鼓風機流量換算可知，管路初始速度為U(10.97 m/s，0 m/s，0 m/s)。

圖7給出了送風式管路中心截面壓力及速度云圖，可以看到該裝置工作原理為初始氣流為正壓，經過擋板時由于速度加快局部壓力降低產生負壓，負壓作用于支管，產生吸力。同時，由于兩個支管與共用出口等距，使得y方向速度及吸力相同。圖8為吸風式管路中心截面壓力及速度云圖，可以看到由于主管內氣流需要通過支管進入的氣流補充，管內全部呈負壓分布，對比于送風式管路，管內局部負壓值較大，即能產生更大的支管速度值及吸力。

圖7 送風式管路壓力及速度云圖

圖8 吸風式管路壓力及速度云圖

圖9給出了兩種管路結構流場特征線(空間直線端點坐標位置分別為(0 mm，10 mm，0 mm)和(1 950 mm，10 mm，0 mm))上壓力及速度量化值。整體上可以觀察到管內呈現出“負壓高-速度高”的耦合分布特征。同時可以看到在相同位置量值上，吸風式管路的負壓及速度值均顯著大于送風式，這與云圖中觀察結果是一致的。

圖9 不同管路特征線上壓力速度量化值

圖10給出了兩種管路結構中心截面的流線圖，可以明顯看到送風式管路中鼓風機輸送氣流與支管氣流共用擋板后部主管，而吸風式管路主管全部被支管氣流占據。結合流體質量守恒定律及仿真結果分析可知，送風式管路出口處平均氣流流量為466 m3/h，吸風式為320 m3/h，這說明送風式支管氣流輸送量為146 m3/h、吸風式支管為320 m3/h。與上述管內壓力、速度分析結果一致，同時也說明吸風式結構更有利于負壓利用。

圖10 兩種管路流線分布

表1給出了兩種管路結構下支管的平均速度及負壓計算結果，在相同計算條件下，送風式結構兩個支管速度值相差0.35%、負壓相差0.56%；吸風式結構支管速度相差0.24%，負壓相差0.51%，可見兩種管路均可較好地實現支管吸力均勻性的要求。同時可以看到：吸風式結構支管速度近似為送風式結構的2.18倍，負壓近似為4.75倍，動力優(yōu)勢比較明顯。

表1 不同管路結構時支管縱向速度及負壓比較

3 結論

為了更好地解決鋁箔剪切機碎屑收集問題，本文使用CFD方法計算了不同管路結構的壓力-速度耦合流場，重點分析了使用不同氣流輸送方式時的物理量分布特征，給出不同結構對管內負壓及支管吸力的影響規(guī)律。通過本文的數值計算主要得出以下結論：

1)在等距管路中，送風式與吸風式收集裝置各自支管負壓及速度均非常接近，兩種結構均可滿足鋁箔碎屑收集時支管吸力均勻的要求。

2)在風機功率一致的條件下，吸風式收集裝置支管負壓值為送風式的4.75倍，速度為2.18倍，這說明吸風式結構負壓利用率更高，同時具有更高的鋁箔碎屑收集效率。

3)在整體結構上，吸風式裝置由于碎屑要經過風機，設計結構復雜度及成本要高于送風式裝置，因此在鋁箔加工過程中應根據需求及生產條件進行合理選擇。