等距型鋁箔廢邊收集裝置擋板優化設計

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、醫療、電子等行業。鋁箔加工生產流程較多，如涂層、烘干、冷卻、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廢邊，廢邊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廢邊，后續學者逐漸設計、改進了專門的鋁箔廢邊收集裝置，如改變兩個支管前部擋板的高度比例可基本實現兩個支管負壓分布及吸力均勻性[2]；而經過優化后的等距型管路設計為支管口與共用出口距離相等，支管口吸力差距很小，可較好地完成鋁箔廢邊收集任務[3，4]。經過分析可發現，現有鋁箔廢邊收集管路工作原理主要為通過改變管內擋板結構進而改變局部壓力-速度耦合分布來產生負壓及支管吸力。對于表現較好的等距型管路而言，其支管共用出口處結構決定了裝置的整體性能，但尚未見對等距型管路共用出口處擋板結構的系統討論，這對深入了解鋁箔廢邊管路流場特征及提高廢邊收集效率是不利的。

本文針對結構較為簡單的送氣式等距型鋁箔廢邊收集裝置，采用工程中常用的計算流體力學方法(Computational Fluids Dynamics，CFD)對氣流輸運流場進行分析[5]。重點分析支管共用出口處不同擋板結構對管路壓力-速度分布的影響規律，進而獲得不同流動現象產生原因及擋板布置對支管吸力的影響規律，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為鋁箔剪切機及廢邊收集裝置局部放大圖，剪切機使用碟形刀分切鋁箔，產生的廢邊通過收集裝置進行處理。文中使用的等距型廢邊收集裝置的幾何模型如圖2所示，該方形管路主要由主管及兩個支管(P1、P2)組成，主管邊長設計為90 mm，兩個支管尺寸為90 mm×40 mm。兩個支管中心軸線間距為1 000 mm以適應雙碟形刀位置。在兩個支管間設置等距出口，并設置前、后擋板，在工作時將鼓風機裝于進口位置，輸送氣流受擋板作用產生局部負壓，進而在支管口產生吸力。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]，文中取2.2 kW，對應氣流輸送量為320 m3/h。

圖1 鋁箔剪切機及廢邊收集裝置局部放大圖

1.2 數值模型

使用Pointwise軟件進行建模及網格劃分，文中三維管路網格如圖3所示，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。使用Fluent軟件求解不可壓縮流體N-S方程組，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]。此外，在邊界設置方面，進口為固定速度條件，出口為壓力出口，兩個支管口設置為壓力進口，擋板及外壁設置為壁面邊界。

圖2 廢邊收集裝置幾何模型

圖3 局部計算網格

1.3 模型驗證

為了驗證文中使用的數值模型對鋁箔廢邊收集管路計算的適用性，課題組設計加工出共用出口前、后擋板高度均為0 mm(計算1)的裝置樣品，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速度值。速度模擬值與實驗測量值對比如圖4所示，模擬值分別為-1.40 m/s和-1.41 m/s，對應的實驗測量值為-1.21 m/s和-1.19 m/s。通過比較可以發現模擬結果與實驗結果誤差在5%以內，證明了本文中使用的數值方法是可行的。

1.4 計算工況

文中計算了不同前擋板高度h1及后擋板高度h2對等距型鋁箔廢邊收集裝置工作性能的影響，為了便于后文敘述，現將計算工況約定如下：

計算1：前擋板高度h1=0 mm，后擋板高度h2=0 mm。

計算2：前擋板高度h1=10 mm，后擋板高度h2=0 mm。

計算3：前擋板高度h1=25 mm，后擋板高度h2=0 mm。

計算4：前擋板高度h1=25 mm，后擋板高度h2=15 mm。

計算5：前擋板高度h1=25 mm，后擋板高度h2=25 mm。

2 計算結果分析

使用上述數值模型對鋁箔廢邊收集流場進行計算，文中坐標系(如圖3所示)設置為以進口截面中心為原點，沿出口方向為x正方向，縱向向上為y正方向，橫向垂直方向為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管路初始速度U(10.97 m/s，0 m/s，0 m/s)，文中規定氣流速度方向與坐標正負一致，具體計算結果及討論如下。

2.1 前部擋板

圖5和圖6給出了計算1和計算2條件下，即后部擋板高度設置為h2=0 mm，前部擋板高度分別設置為h1=0 mm及h1=10 mm時中心截面壓力及速度分布。由圖5和圖6可以看到：不設置擋板時，主管氣流受中間支管區域影響，輸送面積減小，速度增大，在共用出口處產生負壓，對應產生支管口吸力，但可以看到該設置下負壓及支管縱向速度均較??；隨著前部擋板高度增加，主管氣流輸送面積進一步減小，氣流速度增大并在擋板后部產生膨脹，使得負壓值及支管速度值明顯增大。

圖5 計算1中心截面壓力及速度云圖

圖6 計算2中心截面壓力及速度云圖

圖7給出了固定后部擋板高度為0 mm，前部擋板高度增加時(計算1～計算3)特征線上(空間直線端點坐標為(0 mm，10 mm，0 mm)～(1 950 mm，10 mm，0 mm))共用出口及支管附近壓力及速度量化值。整體來看壓力與速度分布呈現出大小對應的耦合特征。前部擋板高度為0 mm時，負壓量值非常小，對應較小的支管速度，隨著前部擋板高度增加，相同位置處負壓值及縱向速度均出現增大趨勢，這與云圖結果一致。

圖8給出了計算1(h1=0 mm)及計算2(h1=10 mm)條件時的共用出口處速度矢量圖，可以看到h1=0 mm時輸送通道主要被主管氣流占據，隨著前部擋板高度增加，出現支管氣流明顯增多、與主管氣流共用輸送通道的現象，這也從流體“連續”性特征方面反映出前部擋板高度增加有利于支管氣流流量的增加，進而增大了氣流速度及吸力。

2.2 后部擋板

圖9、圖10給出了計算4和計算5條件下，即前部擋板高度設置為h1=25 mm，后部擋板高度分別設置為h2=15 mm及25 mm時中心截面壓力和速度云圖。整體來看，設置后部擋板時，管內仍然可以產生負壓及支管吸力，但仔細觀察可發現，隨著后部擋板增高，共用出口處負壓值逐漸減小，縱向速度減小，這也意味著支管處的負壓值及吸力減小。

圖7 計算1～計算3特征線上壓力及速度量化值

圖8 不同高度前部擋板時出口處速度矢量圖

圖9 計算4中心截面壓力及速度云圖

圖10 計算5中心截面壓力及速度云圖

圖11給出了固定前部擋板高度為25 mm，后部擋板高度增加時(計算3～計算5)特征線上(空間直線端點坐標為(0 mm，10 mm，0 mm)～(1 950 mm，10 mm，0 mm)，共用出口及支管附近壓力及速度量化值。經過分析可以看到與前部擋板相反的發展特征，雖然兩個支管附近區域仍然產生“對稱”分布的負壓及速度，但隨著后部擋板高度增加，管內相同位置處的負壓及縱向速度值均減小。這與云圖分析結果也是一致的，說明設置后部擋板不利于管內負壓利用。

圖11 計算3～計算5特征線上壓力及速度量化值

圖12給出了計算4(h2=15 mm)及計算5(h2=25 mm)條件時的共用出口處速度矢量圖，可以看到設置后部擋板時，支管氣流需要繞過后部擋板進入主管輸送通道，在擋板后部形成較大的低速渦流區，能量耗散較大，這種現象在h2=25 mm結果中更明顯。由以上分析可知后部擋板沒有起到疏導作用，反而阻礙了氣流的輸送，這也就是圖10與圖11中后部擋板高度增加時支管負壓及速度均降低的原因。

圖12 不同高度后部擋板時出口處速度矢量圖

表1給出了不同計算工況時兩個支管口縱向速度值，可以更加直觀地看出適當增加前部擋板高度可以獲得更大的支管速度及吸力，而增加后部擋板高度會導致相反結果。此外，可以看到不同擋板高度時支管速度值差異均較小，說明改變擋板高度對支管吸力均勻性幾乎沒有影響。

表1 不同擋板結構時兩個支管縱向速度對比m/s

3 結論

文中使用CFD方法計算了等距型鋁箔廢邊收集管路的壓力-速度耦合流場，重點分析了使用不同共用出口擋板結構時的物理量分布特征及其對支管吸力的影響規律。本文數值計算結果表明出口處擋板結構對支管負壓分布及速度值具有明顯影響，主要得出以下結論：

(1) 在支管共用出口設置前部擋板可增大局部氣流速度并獲得負壓。隨著前部擋板高度增加，支管負壓及吸力增加，在管壁強度允許條件下，應盡量增加前部擋板高度。

(2) 在支管共用出口設置后部擋板會阻礙氣流輸送，并形成較大低速回流區，能量損失較大。隨著后部擋板高度增加，支管口負壓及吸力減小，因此在設計時不建議設置后部擋板。

(3) 在等距型管路中，改變擋板結構主要影響共用出口處的負壓分布，進而影響支管工作，但對支管速度及吸力均勻性幾乎沒有影響。