單板干燥室配風管速度均勻性的優(yōu)化研究

胡仕成，熊豪利，曾 強

（1,中南大學 機電工程學院，長沙 410000；2.高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410000）

0 引言

單板干燥是膠合板生產(chǎn)中的一道重要工序，良好的單板干燥質(zhì)量保證了膠合板的膠合強度和變形率，決定了膠合板的生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)成本[1,2]。在各種單板干燥方式中，噴氣式干燥室由于便于連續(xù)生產(chǎn)、操作方式簡單、適用范圍廣是一種主流的干燥方式[3,4]。利用循環(huán)風機運行時產(chǎn)生的壓差，干燥介質(zhì)經(jīng)散熱器升溫通過配風管進入干燥室。配風管結(jié)構(gòu)一般為長圓柱管或矩形管，管道側(cè)面存在多個具有一定長度的出風管口，可以起到導流、分流的作用，使熱空氣從配風管流入下級風管，進而對單板表面進行對流干燥[5]。由于配風管長度較長的特征，各出風管口之間的氣流分配不均勻，在干燥工序中引起單板的開裂、翹曲、干燥不均等問題。目前，對噴氣式干燥機的改進，大部分研究人員主要集中在研究干燥設備與待干燥單板的角度，散熱器的散熱性能、熱能重復利用以及對干燥工藝的完善等方面，對配風管道的結(jié)構(gòu)以及氣流分配特性的研究較少[6～8]。基于此，以配風管作為研究對象，提出一種加工簡單、安裝方便的擋板設計方案，利用FLUENT數(shù)值模擬方法，探討導流板中心孔間距、板厚、安裝位置和孔徑等因素對配風管氣流均勻性的影響規(guī)律，優(yōu)化導流板的設計參數(shù)，為噴氣式干燥室在生產(chǎn)實踐中的優(yōu)化改進提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

工程應用中配風管結(jié)構(gòu)一般由矩形或圓形的進口管、分配管和出口管焊接形成。本研究中，配風管均為矩形管，入口管尺寸為230×190×100mm，分配管尺寸為2400×210×150mm，出口管為14個100×50×100的矩形管等距分布，出口管從左至右依次用1～14進行編號，如圖1所示。

圖1 無導流板的配風管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)值模擬原理

1.2.1 流體力學基本方程組

質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒是自然界中的流動都遵循三個物理學原理,流體力學基本方程組反映了流體流動規(guī)律[9]。由于氣體分子的平均自由程遠小于配風管的特征長度，可簡化成連續(xù)介質(zhì)下與時間無關的三維穩(wěn)態(tài)流動，并將管道內(nèi)的氣體視為牛頓流體，忽略氣體的重力作用以及流動過程中的傳熱[10]。

連續(xù)方程：

動量方程：

圖2 配氣管出口風速模擬值與實驗值對比

圖3 導流板初步設計方案

其中：ρ為管道內(nèi)空氣密度；u、v、w是氣體在x、y、z方向上的速度分量；t為時間；p為流體壓力；為單位質(zhì)量流體所受的外部體力；分別為x、y、z方向上的單位向量。

1.2.2 湍流方程

湍流模型選用realizable k-ε模型[11]，在射流、流線曲率大等流動中計算精度高。控制方程為：

1.3 邊界條件

根據(jù)風機流量和風機出口截面積，計算配風管入口速度為4.5m/s，采用速度入口。根據(jù)相關公式[12]，水力直徑DH=208mm，雷諾數(shù)Re=3.06×104，湍流強度I=44%。配風管出口采用壓力出口邊界，表壓為0。管道和擋板壁面邊界條件選用無滑移的絕熱壁面。

2 配風管的氣流分配特性

2.1 氣流分配的數(shù)值模擬與實驗驗證

為驗證試驗模型的準確性以及模擬結(jié)果的真實性，對生產(chǎn)應用中的配風管進行實驗研究，多次測量各個出口的氣流速度取均值，與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，如圖2所示。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的最大速度偏差為0.65m/s，百分比偏差集中在2%～11%，最大百分偏差為15%，不均勻度分別為1.26和1.23。仿真與實驗結(jié)果速度變化趨勢相近，符合工程實際應用。

2.2 分配特性評價指標

對配風管氣流分配特性的描述，使用數(shù)學上的無量綱數(shù)，相對偏差Di和標準差SD的概念。相對偏差Di反映了各出口速度不均勻的波動幅度，速度波動幅度越小則速度越均勻。標準差SD反應各個出口速度大小相對平均速度的離散程度，即配風管整體的速度不均勻度，標準差SD越小代表配風管各出口間的氣流速度越均勻，反之則越不均勻。

其中：vi為出口速度，i為出口編號；為14個出口的平均速度；N=14為出口數(shù)量。

2.3 配風管導流板的設計

根據(jù)無整流板配風管的氣流分配特性，提出了一種適用于配風管的整流板設計方案。在矩形管正中處安裝4mm厚的整流板將配風管分割為上下兩個腔體，整流板上鉆孔徑為20mm的圓孔。為降低進口管直對的出口7、8的速度，在縱向鉆45mm等孔間的四個圓孔，橫向孔間距為75mm的3排圓孔，周圍孔間距適當加密設置為50mm，整流板初步設計如圖3所示。

3 配風管擋板的優(yōu)化設計

3.1 導流板中心孔間距的影響分析

為了得到進口管投影區(qū)域較佳的孔間距，在整流板厚為4mm、孔徑為20mm時，分別模擬孔間距為口管的氣流速度，針對進口管投影區(qū)域?qū)φ靼宓臋M向孔間距進行了適當?shù)募哟蟆?5mm、65mm、55mm和45mm時，各出口管之間的氣流分配均勻性。

圖4 導流板中心不同孔間距速度相對偏差值比較

圖5 導流板中心不同孔間距不均勻度比較

從圖4可以看出進口投影區(qū)域孔間距的縮小有利于提高進口直對的7、8號出口的速度，而對其他出口區(qū)域的速度影響較小。在孔間距縮小至一定程度時，如55mm和45mm時，所有出口的速度變化不明顯。通過對圖6整流板中心不同孔間距不均勻度比較的分析，孔間距為45mm時的氣流均勻性較55mm有輕微的提升，不均勻度分別為0.72和0.73。45mm的中心孔間距使氣流在中心和兩側(cè)的孔口分配達到了較為合理的分配。

3.2 導流板板厚的影響分析

整流板開孔是一種氣體射流的運動方式，板厚影響氣體射流的流動狀態(tài)。為了分析整流板厚度對氣體整流的影響，在整流板孔徑為20mm、中心孔間距為45mm時，分別模擬板厚為2mm、4mm、6mm、8mm和10mm時的氣體流動特性，分析各出口管之間的氣流分配均勻性。

圖6 不同導流板厚度下速度相對偏差值比較

圖7 不同導流板厚度下速度不均勻度比較

根據(jù)圖6不同整流板厚度下速度的相對偏差值比較可知，板厚增加，中間出口處的風速增大，兩端出口風速變小。從圖7不同整流板厚度下速度均勻度比較可知，整流板厚度在2mm時，氣流不均勻度最大，而隨著整流板厚度增大，氣流不均勻度逐漸減小，在8mm時，氣流分配效果較好，整流板板厚增大對氣流的整流作用變強，氣流通過整流板孔口的流跡線成束狀噴射而出，傾斜角度小，使氣流從正對的出口流出，提高了各出口的氣流速度均勻度。而整流板厚度較小時，整流板孔口氣流受慣性影響，氣流傾斜角度大，影響了各出口的流量分配。但隨厚度變化繼續(xù)增加到10mm，氣流分配效果開始下降，過大的整流作用影響了氣流分配的效果。

3.3 導流板安裝位置的影響分析

導流板將分配管分成上下兩個空腔，導流板安裝位置的不同，導致了上下腔空間的變化，為探究配風管上下腔體積大小對氣流分配的影響，在導流板中心孔間距為45mm、板厚為8mm、孔徑為20mm的情況下，分別模擬安裝位置為配風管高度方向上的1/5、2/5、1/2、3/5和4/5時的氣流分配特性，如圖8所示為各出口速度相對平均速度的相對偏差。

圖8 導流板不同安裝位置下速度相對偏差比較

圖9 導流板不同安裝位置速度不均勻度比較

氣流在導流板上腔的流動形成渦流實現(xiàn)了對速度的分配，而下腔則提供了一個與出口管之間的緩沖區(qū)域，渦流與緩沖的發(fā)展程度制約了各出口氣流的均勻程度。在圖9導流板不同安裝位置速度不均勻度比較中，擋流板位置處于1/5、2/5、1/2和4/5時，上腔中渦流充分發(fā)展，標準偏差波動幅度小，最大變化幅度為0.06，標準偏差存在較小的差距主要是因為下腔緩沖區(qū)域體積變化。在導流板位于4/5處時，導流板上腔空間小，氣流的發(fā)展不充分，導致出口氣流速度曲線變化幅度大。總體分析，在研究中的五個位置中，導流板位于2/5處時，上下腔的比例較合適，能有效提高出口速度的氣流均勻度。

3.4 導流板孔口直徑的影響分析

導流板開孔孔徑的大小反應了導流板的阻塞比，適當?shù)目讖酱笮∧芨纳聘鞒隹诘乃俣却笮。岣邭饬鞣峙涞木鶆蛐浴Ｒ虼耍槍Я靼逯行目组g距為45mm、板厚8mm和安裝位置在2/5處時，分別模擬開孔孔徑為8mm、12mm、16mm、20mm、24mm和28mm的氣流分配特性。從圖10導流板不同開孔孔徑的速度相對偏差可知，開孔孔徑為8mm和12mm時，各出口速度均勻度相對其他孔徑情況下有明顯提高。孔徑為8mm時，相對偏差最大波動為0.14，孔徑為12mm時，最大波動差值為0.1，孔徑為16mm、20mm、24mm和28mm時，最大波動差值均大于0.18。

圖10 導流板不同孔徑下速度相對偏差比較

圖11 導流板不同孔徑下速度不均勻度比較

當導流板開孔孔徑較大時，進口處的兩端速度較快，而兩端處由于端板的阻擋作用，氣流速度受到抑制，使配風管兩端的出口氣流速度變大，導致了氣流分配的不均勻。減少導流板的孔徑大小能減少兩端的氣流流量，降低靠近兩端的出口氣流速度，且在進口流量一定的情況下，多余的流量從兩端回流，從而使5、6和9、10號出口的流量增大。當孔徑過小時，導流板整體的阻塞比減小，氣流的回流嚴重，各出口流量變化劇烈。圖11為導流板不同孔徑下速度不均勻度比較。

4 結(jié)論

在噴氣式單板干燥室的配風管中采用加裝導流板的方式，可大大提高配風管各出口的氣流均勻性，對提高板材干燥質(zhì)量十分有必要。本研究通過實驗和仿真模擬，得出以下結(jié)論：

1）導流板在進口管投影處的孔間距為45mm時，出口速s度均勻性較好，不均勻度為0.72，較無導流板的配風管SD值降低了41%；

2）導流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，板厚和安裝位置對氣流的分配效果提升較顯著。板厚為8mm時，氣流速度不均勻度為0.42，SD值相對于無導流板降低了66%；安裝位置在分配管的2/5處時，SD值為0.4，氣流分配效果提升67%；

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3）導流板開孔孔徑對配風管的氣流分配影響最為顯著，孔徑為12mm時，氣流分配效果相對于無導流板的配風管提升87%，SD值為0.16。

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