基于CFD仿真前處理棚體內(nèi)風(fēng)幕尺寸的設(shè)計(jì)

董子瑜 萬秀林 胡磊

中國(guó)聯(lián)合工程有限公司 浙江 杭州 310051

引言

前處理是指在涂裝前徹底清洗工件表面的氧化皮、鐵銹、油脂、灰塵等污物，使涂層與金屬表面結(jié)合牢固、附著力強(qiáng)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。前處理分為三種：噴霧、浸液和潛泳。噴霧式處理是利用噴淋原理，使藥液連續(xù)作用在工件表面，具有很強(qiáng)的連續(xù)性和高效率，適用于大批量作業(yè)，適用于大件、長(zhǎng)件和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物品，且一般采用架高結(jié)構(gòu)，節(jié)省地面空間，故廣泛地應(yīng)用在工程機(jī)械的涂裝前處理中。在確保工藝技術(shù)要求、產(chǎn)能、通過性的前提下，處理室（前處理通道）和處理液槽體會(huì)盡可能緊湊。這樣就前處理進(jìn)出口的風(fēng)幕變成要求很高，既能讓水霧被抽走，同時(shí)風(fēng)量不能過大，導(dǎo)致水霧被帶出槽體。以尤恩叉車為例，因?yàn)檎{(diào)節(jié)的問題，水汽外溢到棚體外面。在使用過程中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較緊湊，風(fēng)幕的調(diào)試要求較高。

受工程建設(shè)與試驗(yàn)條件的限制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（computational fluid dynamics，CFD）對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行研究[1]。傅寧等運(yùn)用CFD軟件對(duì)大棚體內(nèi)部流場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真[2]；王光偉等運(yùn)用三維不可壓縮湍流模型對(duì)不同形式的大棚流場(chǎng)流態(tài)進(jìn)行研究[3]；陸小偉對(duì)不同形式大棚流場(chǎng)進(jìn)行仿真，計(jì)算了換氣時(shí)間[4]；陳加浪等運(yùn)用CFD仿真，研究了華東地區(qū)單棟大棚在高溫低風(fēng)速極端環(huán)境下的自然通風(fēng)特性，并進(jìn)行了驗(yàn)證[5]。

采用CFD模擬方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算和分析前處理棚內(nèi)流場(chǎng)分布和外部環(huán)境對(duì)棚內(nèi)流場(chǎng)的影響。本研究針對(duì)我所做的某一個(gè)實(shí)際工程，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent建立了前處理棚體的三維仿真模型，對(duì)不同風(fēng)幕尺寸和邊界條件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，分析不同風(fēng)幕尺寸下風(fēng)幕的實(shí)際效果，為前處理棚體內(nèi)風(fēng)幕的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

1 仿真模型

1.1 理論基礎(chǔ)

1.1.1 控制方程。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)工作狀態(tài)下前處理棚體內(nèi)空氣流動(dòng)為定長(zhǎng)不可壓縮牛頓流，流體在流動(dòng)過程中遵守基于雷諾時(shí)均的黏性不可壓縮Navier-Srokes方程。方程表達(dá)式為：

1.1.2 湍流模型。Fluent提供多種湍流模型可供選擇。本研究結(jié)合前處理棚體內(nèi)的流場(chǎng)實(shí)際情況，選取標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)際應(yīng)用表明，該模型收斂速度快精度高[6]。

1.2 幾何模型

以尤恩叉車結(jié)構(gòu)線前處理棚體為基礎(chǔ)對(duì)象構(gòu)建三維模型，基本參數(shù)為：棚體全長(zhǎng)21m，寬2.64m，高3.25m，風(fēng)幕對(duì)稱布置，單個(gè)風(fēng)幕長(zhǎng)0.2m，寬0.5m，高2.1m。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，只對(duì)風(fēng)幕進(jìn)行研究[7]。為了減少邊界條件設(shè)定對(duì)模擬計(jì)算的不利影響，增加了計(jì)算面積。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

利用 Fluent模塊 Gambit建立了流場(chǎng)區(qū)三維模型，將整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域劃分成六面體網(wǎng)格，得到了1745762個(gè)網(wǎng)格。

2.2 邊界條件的設(shè)置

風(fēng)幕入口裝置內(nèi)主要設(shè)為80%的水汽和20%的空氣，考慮到模型簡(jiǎn)化，在入口面設(shè)定質(zhì)量流量為0.01kg/s的水汽，保持空間的相對(duì)穩(wěn)定。零件出口設(shè)置為自由流動(dòng)，觀察水汽的流動(dòng)。

主要是觀察零件出口面的水汽速度矢量方向來判斷水汽是外溢還是被風(fēng)幕抽回排出。改變風(fēng)幕尺寸來觀察出口面上水汽的流向[8]。

3 仿真不同結(jié)果模擬

3.1 不設(shè)置風(fēng)幕的模擬

在fluent中，把上圖中風(fēng)幕設(shè)置為墻面，使其不具有排風(fēng)功能，觀察出口面水汽速度矢量方向。如圖1所示；入口和裝置內(nèi)的水汽受出口面的影響，從水汽的速度方向上看，在沒有風(fēng)幕的情況下，大量水汽都是向外溢出。

圖1 無風(fēng)幕模擬的速度矢量圖

3.2 不同風(fēng)幕尺寸的模擬

根據(jù)圖紙1∶1建立相同尺寸的風(fēng)幕進(jìn)行模擬，同樣入口和零件出來設(shè)置相同的模型和參數(shù)，增加風(fēng)幕為出口，設(shè)置其為質(zhì)量流量出口，參數(shù)根據(jù)給定體積流量3600m3/h轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量0.6kg/s。

如圖2所示為速度云圖和速度矢量圖。當(dāng)開設(shè)風(fēng)幕后，設(shè)置質(zhì)量流量出口，則會(huì)對(duì)零件出口面有影響，從圖2中看出，風(fēng)幕出的流速快，而且零件出口上的水汽都受風(fēng)幕的影響，從零件出口面上的水汽速度矢量方向上看，可以清晰看出水汽大量流向裝置內(nèi)部，外溢的量明顯很小。

圖2 原尺寸風(fēng)幕模擬局部速度矢量

3.3 每個(gè)風(fēng)幕在原尺寸高度縮減200mm

如圖3所示，該尺寸風(fēng)幕下模擬的結(jié)果。可以看出風(fēng)幕向外排氣，零件出口面受風(fēng)幕影響，在其周圍水汽大量向風(fēng)幕流動(dòng)，外溢的量有所減少。

圖3 原尺寸高度縮減200mm模型模擬

3.4 每個(gè)風(fēng)幕在原尺寸高度縮減300mm

如圖4所示。在該模型下的速度矢量圖。圖4為零件出口面最下方的局部圖，受風(fēng)幕影響，可以看出水汽的速度方向向內(nèi)，外溢量小。

圖4 原尺寸高度縮減300mm模型模擬局部圖

3.5 每個(gè)風(fēng)幕在原尺寸高度縮減400mm

如圖5所示；在該模型下的速度矢量圖。從圖中可以看出，水汽還是向內(nèi)部流動(dòng)，外泄量相對(duì)還是較小。

圖5 原尺寸高度縮減400mm模型模擬局部圖

4 結(jié)束語

綜上所述，在不設(shè)風(fēng)幕的情況下水汽會(huì)大量的外溢到棚體之外，模擬的結(jié)果和實(shí)際發(fā)生的情況是相符的。由此可見，用fluent數(shù)值仿真的技術(shù)是可以用在前處理的棚體內(nèi)的數(shù)值模擬以及別的流場(chǎng)問題也能適用。

通過不同風(fēng)幕高度尺寸進(jìn)行比對(duì)，用最下方底部的局部速度矢量圖進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)，高度尺寸變小，最下端的水汽外溢反而變小。首先，風(fēng)幕單元高度方向上對(duì)水汽的外溢是主要的，寬度和厚度方向是次要影響因素。其次，水汽的最佳抽風(fēng)位置在棚體的中上部位置，從設(shè)計(jì)的角度上，風(fēng)幕在高度應(yīng)該降低，把主要的排放位置設(shè)置在中高部位置以達(dá)到最佳效果。最后，適當(dāng)?shù)脑黾咏孛娉轱L(fēng)的速度，也可以減少水汽的外溢。