涂裝烘干工藝車間風幕特性研究

童樂，岳晨，何緯峰，張世中，王福瑞

(1. 南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016；2. 江蘇驃馬智能裝備股份有限公司，江蘇 常州 213017)

0 引言

在汽車車身涂裝的烘干過程中，其能耗占比可達整個涂裝工藝的70%，烘干室有著巨大的節能潛力。車輛連續進出車間需要開式操作，室內外高達120℃的溫差易引起強烈的熱質交換[1]。傳統往往采用人工經驗對生產線進行設計優化，實際生產中再進行調度調試[2]。合理設計適用烘干室這一特殊場合的風幕、保證其運作的節能高效是非常有必要的。

近年來，國內外研究者針對不同建筑中的風幕開展了大量研究。繆晨等[3]對安裝在冷庫入口處的風幕進行了特性研究，對在不同射流速度下庫外空氣侵入破壞原流場的機理進行分析，得出了風幕送風速度的增大可以增加冷庫密封性的結論。風幕在大型建筑物的防排煙系統中也有很大的應用空間[4-5]，研究者利用小尺寸實驗與數值模擬相結合的方法探究風幕的能量特性[6]，全尺寸的模擬結果更有說服力。YANG S W等[7]將風幕在不同操作下的狀態分為3種，不同應用場所要求風幕的射流速度、角度和送風量不同[8]。南曉紅等[9]給出了風幕運行效率與噴射寬度、角度以及流速等參數之間的關系。結果表明，確實存在一個最優的射流速度和噴射角度使風幕運行效率最高。有關風幕性能影響因素的研究很多，但是都沒有明確影響變量的主要性和次要性[10]。

鑒于風幕和車輛涂裝烘干車間的特點，當前針對風幕設計對車輛涂裝車間內流場及密封性能的研究尚未開展。本文設計了一種適用于車輛涂料烘干車間的頂吹熱風幕，并對其進行了詳細的數值仿真研究。揭示了風幕射流速度、射流角度兩個關鍵操作參數對風幕氣動特性的影響規律。

1 計算模型及數值方法

1.1 幾何模型

圖1為車輛涂裝烘干車間的三維模型，模型包括3個連續的部分，分別為進口延長段、涂裝烘干車間和出口延長段，出口延長段后接高溫烘烤室。風幕裝置的具體安裝位置和出風角度設定如圖2所示。

圖1 車輛涂裝烘干車間的三維模型結構示意圖

圖2 風幕二維幾何結構示意圖

表1給出了車輛烘干車間具體的結構參數。L1、L2和L3分別為3個區域的長度，H和W分別為車間的高度和寬度。

表1 車輛涂裝烘干車間的結構參數 單位：m

1.2 求解設置和邊界條件

采用ANSYS CFX軟件，基于涂裝烘干車間內空氣的質量、動量及能量守恒，建立了全尺寸物理模型，對風幕裝置射流產生的三維湍流氣流進行數值模擬。假設車間內流動為不可壓縮穩態紊流，車間內的圍護結構和外界無熱質交換，假設射流速度穩定、恒定。風幕射流穩定流動時，各處的時均量均保持恒定，忽略黏性耗散和輻射量，采用Boussinesq假設，考慮浮升力的影響。數值仿真過程中的邊界條件設置如表2所示。

表2 車輛涂裝烘干車間CFD邊界條件設置

1.3 網格無關性及模型驗證

利用ICEM軟件為計算域劃分結構性網格。圖3給出了風幕射流速度為12m/s、射流角度為45°時網格數分別為1.0×106、1.5×106、2.0×106、2.5×106和3.0×106對應的入口延長段的平均溫度值。當網格數量增加至2.0×106時，左側入口的溫度不再變化，表明模型此時達到了網格無關性要求。

圖3 不同網格數量下，12m/s、45°時入口延長段溫度

本文以迪特馬爾·威蘭等[11]的帶有用于吹入氣態流體裝置的加工腔作為對比參考文獻。圖4為車間流場分布和氣流流動趨勢對比圖。對比圖4(a)和圖4(b)的結果，本文模擬結果與文獻[11]結果的流動趨勢和渦旋分布位置基本一致，且本文模擬結果所示的流場分布完全符合空氣動力學原理，是頂部噴射的高速氣流導致了氣流的分離。因此利用本文所建物理模型開展后續研究是可行的。

圖4 車間流場分布和氣流流動趨勢

初始建模時，風幕射流速度不變，Vj為12 m/s，溫度為433 K。

2 模擬結果與分析

2.1 數值模擬結果

風幕射流速度為16m/s、射流角度為45°時整個車間內部氣流的分布及走向如圖5所示。在溫差、壓差和密度差等因素的綜合影響下，流場中形成三個氣流分布域，根據溫度的差異分別定義為高溫氣流渦、冷熱氣流混合渦和低溫氣流渦，渦旋的中心速度接近0m/s。高溫、高速氣流由風幕出口流至地面形成氣流屏障。主射流到達地面后反射，產生能量損失，速度急劇下降。反射后的主射流分成的兩部分，一部分流向左側用于阻隔冷空氣，另一部分高溫氣流入車間高溫區。

圖5 車間流場跡線圖

圖6為車間內部的二維溫度分布，三個流場分布域的存在造成明顯的溫度分區。低溫氣流渦聚集在車間頂部，與風幕出口高溫氣流熱交換現象明顯。圖7為車間入口處截面的溫度分布，截面溫度由車間頂部到地面逐漸降低。

圖6 車間內部溫度云圖

圖7 車間入口截面溫度云圖

結合流場跡線圖和溫度云圖，利用定性指標和定量指標來分析不同工況下風幕的卷吸特性和密封效果：風幕主射流是否能夠流動至地面，形成完整的氣流屏障，起到阻擋室外冷流的滲透和室內熱流泄漏的作用作為定性指標；車間入口處溫度和阻隔率作為定量指標。阻隔率用來估算幕卷吸空氣的熱力影響，定義阻隔η為

(1)

式中：Tjet為風幕射流溫度；Tmix為射流卷吸左側冷空氣后的混合平均溫度；Tamb為環境溫度；η介于0～1之間。圖8所示的位置1、位置2分別為車間入口和射流卷吸處的測溫位置。

圖8 車間入口測溫位置示意圖

2.2 射流速度對風幕特性的影響

圖9為風幕射流角度為45°、速度為8m/s～20m/s時速度流線圖((a)-(e))和溫度云圖((f)-(j))。圖9(a)速度流線顯示風幕無法阻隔入口的冷空氣，8m/s的射流速度下主射流不能流動至地面，無法形成完整的射流屏障。此時室內外存在的巨大溫差和密度差產生了較大的氣流驅動力，不僅不能阻隔冷空氣，反而會增加進入車間的冷空氣量。

由圖9(a)- 圖9(e)可知，隨著射流速度的增加，渦旋的大小和位置會隨之發生變化。射流速度增加到10m/s時，射流主流依然沒有完全流動至地面，使得部分冷氣流從車間底部滲入。主射流在地面上方分成左右兩部分。射流速度12m/s時主射流形成完整氣流屏障，并從地面反射，反射的強度會隨著速度的增大而增強，當射流速度>12m/s時，反射作用更加明顯，冷熱氣流間的傳熱也更加強烈。

結合圖9(f)-圖9(j)的溫度云圖，射流速度為12m/s時，風幕射流兩側高低溫區間分隔最為明顯，此時室內外熱質交換的程度最弱，密封效果相較于其他射流速度更好。

圖9 射流速度為8～20m/s時車間流場和溫度分布

圖10為不同射流速度下入口的平均溫度值和風幕阻隔率。綜合圖9和圖10的結果，盡管射流速度低于10m/s時，入口的平均溫度較低，但是并未達到阻隔左側冷空氣的效果。由圖10可知，當射流速度>12m/s時，入口平均溫度逐漸增大，阻隔率逐漸降低，射流速度12m/s時的阻隔率達到0.83，密封和節能效果最佳。

圖10 不同射流速度入口平均溫度和阻隔率

2.3 射流角度對風幕特性的影響

圖11是風幕在射流速度為12m/s、射流角度分別為35°～55°時的速度流線圖((a)-(e))和溫度云圖((f)-(j))。圖11(a)-圖11(b)的速度流線圖顯示在35°和40°的射流角度下，主射流在距離地面不同高度處向車間內彎曲，沒有形成阻隔入口冷空氣的分流，沒有形成完整的射流屏障。此時強大的氣流驅動力會造成進入工作車間冷空氣量的增加。當射流角度增大至45°時射流流動至地面，隨著射流角度從45°增大至55°，冷熱氣流混合渦的體積不斷增大，從主射流流至左側的熱氣流增加，進而增強屏障兩側的傳熱傳質。45°、50°和55° 3個射流角度下均起到了阻隔冷空氣的效果。由圖12所示的平均溫度和阻隔率可以看到，隨著射流角度的增大，左側入口溫度越來越高，阻隔率逐漸降低，相較于45°的射流角度，50°和55°存在明顯的熱量浪費。

圖11 射流速度為12m/s時車間流場和溫度分布

圖12 不同射流角度入口平均溫度和阻隔率

如圖11(b)所示，在12m/s、40°的條件下，射流不能形成完整的屏障，在此射流角度下繼續增大射流速度研究風幕特性。圖13是在射流角度為40°時，增大射流速度至16 m/s和20 m/s時的速度流線圖((a)-(b))和溫度云圖((c)-(d))。可以看出增大射流速度到20m/s才能達到阻隔效果，大風量雖然阻擋了左側的冷氣流的滲入，但是相較與12m/s、45°的結果，阻隔效果較差。因此無論是從節能的角度還是密封效果的角度來說，調節角度比增大射流速度更有意義。

圖13 射流速度為16m/s和20m/s時車間流場和溫度分布

在本文所研究的車間高度下，不考慮車輛進入車間的情況，風幕出口的射流速度和噴射角度分別為12m/s、45°時，密封效果和節能效果最佳，阻隔率為0.83。

3 結語

1)調整射流角度比調整射流速度對風幕特性的影響更顯著。

2)在本研究的車間高度及無車輛進出條件下，射流速度和噴射角度分別為12m/s、45°的工況有較好的密封和節能效果。在實際操作過程中，建議將風幕的射流速度和射流角度略大于最佳工況。

3)增加風幕射流速度和射流角度可以提高頂吹風幕密封效果，但是車間入口的平均溫度隨之增大，會造成熱能浪費。