鋁箔碎屑收集裝置氣流輸送方式比較*

常玲玲，劉 躍

(陜西國防工業職業技術學院 計算機與軟件學院，陜西 西安 710300)

0 引言

近年來，鋁箔由于綠色環保、可再生等特點被廣泛應用于食品、包裝、電子等行業。鋁箔加工生產流程較多，如涂層、烘干、冷卻、分切卷取等。其中，分切卷取是將鋁箔裁剪成不同尺寸以適應不同行業需求的關鍵流程。分切工序主要使用鋁箔剪切機，通過觀察可以發現，剪切機運行時不可避免地會產生碎屑，長時間的碎屑累積會明顯影響鋁箔分剪質量及效率[1]。早期需要剪切機經常停機來清掃碎屑，后續學者逐漸設計、改進了專門的鋁箔碎屑收集裝置，經過不斷優化，目前碎屑收集裝置可通過改變擋板結構在管內形成負壓，并基本滿足支管吸力均勻要求[2-4]。但現有收集裝置動力輸送方式比較單一，主要為在管路進口設置鼓風機，通過向管內輸送氣流的方式為碎屑收集提供動力。在實際氣流輸送方式中還有虹吸的方式，即在出口處安置鼓風機，但尚未見該方法在鋁箔碎屑收集中的應用討論，這對于提高碎屑收集裝置的適用性及企業可選擇性是不利的。

本文擬采用工程中常用的計算流體力學方法(Computational Fluids Dynamics，CFD)對鋁箔剪切機碎屑收集裝置氣流輸送流場進行分析[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律，為鋁箔剪切機設備改進及企業生產提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

圖1為鋁箔剪切機及碎屑收集裝置，剪切機使用碟形刀分切鋁箔過程中產生的碎屑通過收集裝置支管進行處理。本文計算使用的可更換動力形式的碎屑收集管路幾何模型如圖2所示，該方形管路主要由主管及兩個支管(P1、P2)組成，主管口邊長設計為90 mm，兩個支管口尺寸為90 mm×40 mm。兩個支管中心軸線間距為1 000 mm，P1軸線距送風口距離為280 mm，P2軸線距吸風口距離為520 mm，以適應雙碟形刀位置。此外，兩個支管間設置等距出口，并設置擋板，通過局部壓力-速度耦合變化達到兩個支管等分負壓、產生相等吸力的目的。當鼓風機裝于送風口時為送風式管路，氣流“吹”入管內；當鼓風機安裝于吸風口并安置活動擋板時為吸風式管路，這時氣流為“吸”出管路。鼓風機氣流輸送功率參考常用工業吸塵器功率進行設置[6]，取為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 碎屑收集管路幾何模型

1.2 數值模型

三維管路數值計算網格劃分如圖3所示，主要為六面體結構化網格，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的影響，單獨劃分近壁區網格，并對較關心的支管處網格進行加密處理。湍流模型使用對旋流模擬較好的RNGk-ε模型，方程離散采用二階迎風格式[7]， 求解不可壓流體N-S方程。此外，在送風式計算時，送風口設置為速度進口，吸風口為壓力出口，兩個支管口設置為壓力進口；在吸風式計算時，吸風口設置為速度出口。

圖3 三維管路數值計算網格劃分 (局部)

1.3 模型驗證

為了驗證本文使用的數值模型在鋁箔碎屑收集管路計算中的合理性，課題組設計加工出送風式管路樣品，并使用鉆孔方法將高精度氣壓傳感器安置于支管口側壁，測量了兩個支管口處的壓力值，得到的平均壓力模擬值與實驗值對比如圖4所示。兩個支管口處的壓力模擬值分別為-21.72 Pa和-21.59 Pa，實驗值分別為-20.86 Pa和-20.67 Pa，通過比較發現數值結果與實驗結果誤差在5%以內，說明本文使用的數值方法是可行的。

圖4 支管口處的平均壓力模擬值與實驗值對比

2 計算結果分析

使用上述模型及參數分別對送風式和吸風式管路進行仿真計算。以送風口截面中心為坐標原點，沿吸風口方向為x正方向，沿支管向上為y正方向，垂直于xy截面為z方向。此外，根據風機功率及截面面積計算的氣流初始速度為(10.97，0，0) m/s，并規定氣流速度方向與坐標正負一致。

2.1 送風式管路

圖5為送風式管路中心截面的壓力和速度云圖，可以看到進口安裝鼓風機，氣流“吹”入管內，初始氣壓為正壓，氣流經過共用出口擋板時，氣流膨脹產生負壓，同時由于兩支管與共用出口距離相等，兩支管負壓相等；在負壓作用下，支管氣流流向管內，縱向速度為負，并在管口產生吸力。

圖5 送風式管路中心截面壓力和速度云圖

圖6為送風式管內特征線上(兩支管之間區域，空間直線端點坐標為(288，10，0)～(1 300，10，0))壓力及縱向速度量化值。由圖6可以看到：呈現“負壓大-速度大、負壓小-速度小”的耦合特征；此外，還可以看到兩支管的壓力及速度呈現出對稱特征，說明數值接近，這與云圖規律一致。

圖6 送風式管內特征線上壓力及速度量化值

圖7為送風式管路支管共用出口處的速度矢量圖,可以看到，由于擋板采取了倒圓弧設置形式，氣流得到了良好疏導，但同時也能較清晰地發現支管氣流與主管氣流共用運動通道會導致支管氣流運動阻力增大。

圖7 送風式管路共用出口處速度矢量圖

2.2 吸風式管路

圖8為吸風式管路中心截面壓力及速度云圖。由圖8可以看到，由于在共用出口前加置了活動擋板，管路核心結構發生變化，管路通過支管與大氣相通，因此在鼓風機作用下，管內均為負壓，且兩支管口負壓值明顯高于送風式管路，進而在兩支管口生成更大的縱向速度。

圖8 吸風式管路中心截面壓力及速度云圖

圖9為吸風式管路管內特征線上(兩支管之間區域，空間直線端點坐標為(288，10，0)～(1 300，10，0))壓力及縱向速度量化值。由圖9可以看到:共用出口及支管處宏觀特征與圖6送風式管路一致，均在當前等距結構下呈現出壓力-速度耦合對稱分布的特點；同時與圖8結果類似，特征線上相同位置處的負壓及速度值均大于送風式管路。

圖9 吸風式管內特征線上壓力及速度量化值

圖10為吸風式管路兩支管共用出口處的速度矢量圖，可以看到主管主要被支管氣流填充。

圖10 吸風式管路支管共用出口處的速度矢量圖

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467 m3/h、吸風式管路出口處平均氣流流量為320 m3/h，說明送風式支管氣流輸送量為147 m3/h、吸風式支管氣流輸送量為320 m3/h，同時也說明了吸風式結構更有利于負壓利用。

表1為送風式及吸風式管路兩個支管的平均速度及平均壓力。在鼓風機功率相同條件下，送風式兩個支管速度值相差0.34%、負壓相差0.60%；吸風式兩個支管速度相差0.24%、負壓相差0.46%，可見兩種管路支管數據非常接近，均能較好地滿足支管鋁箔碎屑收集吸力均勻的要求。同時可以看到：吸風式結構負壓約為送風式結構的4倍，速度約為2倍，動力優勢明顯。

表1 送風式和吸風式管路兩支管的平均速度及平均壓力

3 結論

本文使用CFD方法計算了鋁箔碎屑收集裝置的壓力-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及對支管吸力的影響規律。得出以下結論：

(1) 在等距管路中，使用送風式與吸風式動力均可滿足鋁箔碎屑收集時支管吸力均勻的要求。

(2) 在風機功率相同的條件下，吸風式裝置支管負壓值為送風式的4倍，速度為送風式的2倍，說明吸風式結構負壓利用率更高，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，因此應根據鋁箔加工需求及生產條件進行合理選擇。