李俊濤，劉 躍 ，李會榮，管小榮

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院，陜西 西安 710300)

(2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

親水鋁箔由于換熱效率高、可降低水珠凝結噪聲等優(yōu)點被廣泛用于制冷設備中，在其生產過程中，需要根據(jù)需要將鋁箔裁剪成相應尺寸卷積成成品，該步驟由鋁箔剪切機完成[1]。在實際剪切操作中不可避免地會產生鋁箔碎屑，當碎屑累積到一定程度時，需要停機進行清理，嚴重影響了鋁箔生產效率及裁剪準確度。本文擬利用高壓送風機提供管內負壓的方法設計一種簡易鋁箔碎屑收集裝置[2-4]，以改善目前傳統(tǒng)雙支管管路第一個支管口無法產生吸力或吸力較小的缺陷。文中使用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法重現(xiàn)鋁箔碎屑收集流場壓力-速度耦合過程[5-6]，分析不同截面壓力、速度隨結構變化規(guī)律，探討初步設計無法滿足工程需要的原因，進而提出優(yōu)化設計方法。

1 鋁箔碎屑收集裝置的結構

圖1(a)所示為鋁箔剪切機成品，鋁箔剪切機可將涂層后的鋁箔裁剪成需要的尺寸，是鋁箔生產使用的重要設備。目前在鋁箔剪切過程中，中部的切割槽內會沉積較多的鋁箔碎屑，嚴重影響鋁箔切割的精度及成品質量。為了盡量簡便地提高鋁箔剪切機工作效率并完成裁剪精度的改進任務，筆者結合鋁箔碎屑較輕薄的特點，初步設計出圖1(b)所示的鋁箔碎屑收集裝置，該裝置由一個主管及兩個支管組成，主管一側連接大功率風機，一側排出鋁箔碎屑并集中處理，兩個支管各自獨立于主管相交，利用管內負壓產生吸力的原理將切割槽內的鋁箔碎屑吸進主管。

圖1 鋁箔碎屑收集裝置工作環(huán)境及初步設計模型

2 數(shù)值模型及計算方法

本文中求解介質為氣體，由于整體流動馬赫數(shù)Ma<0.4，因此需要求解黏性不可壓流體方程組，其矢量形式如下[7]：

(1)

式中：ρ為密度；v為速度矢量；·v為散度計算；t為時間；f為體積力；p為壓力；μ為動力黏度。該方程可較好地反映管流黏性切應力分布及流動壓力損失。

管流輸運動力由高壓送風機提供，使用的風機平均流量為0.267 m3/s，管流雷諾數(shù)Re=2.6×105(由入口直徑D及速度v確定)，屬于湍流運動，因此需要求解湍流方程，經比較選擇近壁及遠場均有較好表現(xiàn)的SST模型(shear-stress transport)。其具體方程構造如下[8]：

(2)

(3)

式中：β*為模型常數(shù)，β*=0.09；k為湍動能；ω為湍動能耗散率；σω2為模型常數(shù)，σω2=0.856。此外，混合函數(shù)F1、湍動能生成項Pk、動力黏度μt、運動黏度νt及混合模型參數(shù)α，β，σk，σω的定義及取值詳見文獻[8]。

初步設計的管路系統(tǒng)計算尺寸及離散網格如圖2所示，由于管路為軸對稱結構，因此可以取中心截面進行計算，兩個支管獨立設置，并在迎風面深入主管。離散網格整體為分塊結構化網格，為了較好重現(xiàn)氣流與壁面剪切效應，在壁面處及支管處進行網格加密處理。

圖2 負壓管模型及數(shù)值網格

在數(shù)值邊界設置方面，管路進口處設為速度進口邊界，速度值為49.37 m/s(由送風機流量Q及管路直徑D確定)，主出口設為壓力出口，兩個支管進口設為壓力進口，壁面設為無滑移邊界。此外，采用有限體積法離散求解方程組，使用PISO(pressure-implicit withsplitting of operators)算法進行壓力速度耦合過程，對流項及湍流離散均采用二階精度[9]。

3 數(shù)值模型驗證

數(shù)值模型在正式計算前應進行準確度驗證，文中管流計算主要關注氣流傳輸過程中的壓力、速度耦合變化過程，因此驗證模型采用圖3(a)中的簡單管路，其計算域和尺寸如圖3(b)所示，數(shù)值方法設置及邊界初值均與第2章一致。

圖3 驗證管路及計算域

圖4(a)給出了計算得到的管內速度分布，可以看到氣流在中間管路進口端變窄加速及出口端膨脹降速的過程，圖4(b)給出了監(jiān)測得到的出口截面平均速度隨迭代步數(shù)變化情況，可以看到隨著迭代步數(shù)增多，計算趨于收斂，速度值穩(wěn)定在49.37 m/s，與相同直徑下的進口速度一致，很好地符合了求解的連續(xù)方程，同時也簡單證明了模型的可靠性。

圖4 管內速度云圖及出口處平均速度

4 結果分析及裝置改進

圖5給出了初步設計的雙支管鋁箔碎屑收集模型的管內速度云圖，由于支管深入主管部分，在兩個支管下方可以很明顯地看到氣流由于通道變窄加速的過程。但在關注的支管內部，兩者卻存在不同，第一個支管的內部速度明顯小于第二個支管的內部速度，借助圖6管內流線圖可更清晰地看到，在第一個支管后方形成了較大的反向旋渦，支管不但沒有進氣量反而導致一部分氣流流出，而第二個支管雖然由于氣流膨脹也在后部形成了渦流區(qū)，但渦流影響較小，支管內氣流流向主管，形成吸附力。以上現(xiàn)象出現(xiàn)在初步樣品實驗中，這與兩個支管工作狀態(tài)一樣的設想不一致，也說明管路結構需進一步改進。

圖5 管內速度云圖

圖6 管內流線圖

造成兩個管路氣流流態(tài)不一致的深入原因可由圖7(a)中管內中心線上壓力分布規(guī)律得出，可以看到壓力值出現(xiàn)兩個波谷，分別對應圖5中氣流經過兩個支路下部擋板時速度提升的過程，第二個支管后部出現(xiàn)了負壓區(qū)域而第一個支管后部沒有出現(xiàn)負壓區(qū)域。分析可知這是由兩個支管的連通區(qū)域不同造成的，第二個支管連接外部大氣環(huán)境，氣流增速及膨脹時出現(xiàn)負壓而后逐漸恢復至1個氣壓，第一個支管后部氣流在第二個支管附近流動受阻，導致壓力逐漸增大，并反作用于第一個支管下方區(qū)域，造成旋渦回流，并由于壓力值大于外部氣壓值導致氣流流向為背向管道，造成支管吸附力較小。圖7(b)中兩個支管口截面的平均速度分布對比也很直觀地體現(xiàn)了兩者不同的工作狀態(tài)，第一個支管P1速度值均大于0，標志著氣流外流，第二個支管P2速度值趨于-50 m/s，標志著氣流流向管內，支管口存在較大吸附力。

圖7 管內壓力及支管速度對比

改進后的鋁箔剪切機雙管碎屑收集管路如圖8(b)所示，與圖8(a)初步設計相比，將第一個支管延伸至第二個支管下方，兩者后部均直接與大氣連通。

圖8 雙管碎屑收集裝置

圖9給出了改進后的管路系統(tǒng)壓力分布結果，可以看到初始高壓氣流在通道變窄加速后壓力下降的過程，在第二個支路附近氣流膨脹形成負壓區(qū)，并逐漸恢復至連通的正常大氣壓。圖10(a)給出了改進后主管路中心線上的壓力量化分布，與圖7(a)相比，由于管路直接與大氣連通，沒有出現(xiàn)大的正壓區(qū)域，同時在第二個支路后方出現(xiàn)了面積與量值近似的負壓區(qū)域。圖10(b)給出了改進后的支管口速度分布，可以看到P1和P2均為負值，表明氣流流向管內，P2中氣流速度為近似-28 m/s，P1由于管路較長，壓力損失較大，速度值近似為-11 m/s，對比圖7(b)，雖然改進后支管進流速度均小于初步設計時P2的進流速度，但改進后支管均產生了吸附力，可滿足鋁箔剪切機碎屑收集任務。

圖9 管內壓力分布

圖10 改進后管路的壓力分布及支管口速度分布

5 結論

本文基于工程中鋁箔剪切機碎屑收集任務，利用管流負壓原理設計了雙支管碎屑收集管路，使用CFD方法對管流壓力-速度耦合流場進行了數(shù)值研究，從壓力分布、速度比較等方面分析了支路布置形式對吸附力和碎屑收集效率的影響規(guī)律，并對管路提出了改進措施，在本文計算條件下，主要得出以下結論：

1)傳統(tǒng)簡單設置雙支管的負壓碎屑收集系統(tǒng)無法滿足工程需要，原因為第一個支路后部氣流流通受阻造成壓力升高，進而形成反向渦流區(qū)，使氣流流出支管，第一個支管口無法形成吸附力。

2)改進后的管路系統(tǒng)將第一個支管延伸至第二個支管附近，支路系統(tǒng)均與大氣連接，在氣流膨脹區(qū)形成了負壓區(qū)域，使得兩個支路均產生有效吸附力，可滿足鋁箔碎屑收集任務。