懸浮式烘箱風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

武秋敏，焦鑫康，夏禹康，劉騰

懸浮式烘箱風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

武秋敏*，焦鑫康，夏禹康，劉騰

（西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，西安 710048）

創(chuàng)新設(shè)計(jì)風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化風(fēng)嘴和基材之間由于氣流撞擊而形成的渦流，導(dǎo)致基材表面風(fēng)速溫度堆積不均勻的問(wèn)題。采用Fluent軟件，建立單一的風(fēng)嘴仿真模型，并利用RNG-湍流模型進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析風(fēng)嘴有無(wú)泄壓孔結(jié)構(gòu)對(duì)基材干燥特性的影響，并在7種泄壓孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中確定了相對(duì)最優(yōu)方案，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證最優(yōu)風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，通過(guò)增設(shè)相對(duì)最優(yōu)風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)，基材表面渦流產(chǎn)生區(qū)域平均風(fēng)速提高了3.32 m/s，均方差降低了0.86；平均溫度提高了24.76 K，均方差降低了5.96，表明設(shè)計(jì)有泄壓孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)嘴能明顯改善由于渦流堆積造成的風(fēng)速和溫度較低的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)泄壓孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)嘴在兩狹縫之間區(qū)域的風(fēng)速和溫度均有明顯提升，渦流區(qū)域的壓力產(chǎn)生明顯下降，改善了風(fēng)嘴兩狹縫之間由漩渦引起的風(fēng)速、溫度較低現(xiàn)象。

懸浮式烘箱；熱風(fēng)干燥；風(fēng)嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

烘箱是高精密印刷涂布設(shè)備的重要組成部分。印刷涂布完成的基材經(jīng)烘箱熱風(fēng)干燥后才最終完成其生產(chǎn)過(guò)程。傳統(tǒng)的烘箱結(jié)構(gòu)是向印刷涂布后的基材表面吹以熱風(fēng)進(jìn)行干燥，基材的背面緊貼支撐輥向前傳輸。當(dāng)熱風(fēng)作用于相鄰兩支撐輥之間時(shí)，易造成基材的彎曲變形，且無(wú)法滿(mǎn)足雙面涂布干燥需求。為解決上述問(wèn)題，懸浮式烘箱逐漸被應(yīng)用到涂布設(shè)備中。

懸浮式干燥技術(shù)是由美國(guó)ASI（Advance Systems Inc）創(chuàng)始人Roy Downhawn在1970年提出的，80年代美國(guó)印刷業(yè)的繁榮大大推動(dòng)了懸浮式烘箱技術(shù)的發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)懸浮式烘箱展開(kāi)研究。Yuan等[2]利用構(gòu)建CFD仿真模型，分析了懸浮式烘箱內(nèi)部基材移動(dòng)速度以及溫度對(duì)基材干燥性能的影響。Chang等[3]則關(guān)注了基材在上下風(fēng)嘴之間由于張力波動(dòng)導(dǎo)致基材與風(fēng)嘴之間的距離發(fā)生變化的現(xiàn)象。Moretti[4]通過(guò)建立偏微分控制方程來(lái)確定基材的張力效應(yīng)。李徐佳等[5-7]對(duì)鋰電池極片烘箱的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，并建立了3種典型風(fēng)嘴的數(shù)值模型，分別研究其均流特性以及阻流特性。程千駒等[8]通過(guò)在風(fēng)嘴上設(shè)計(jì)排出泄壓孔的方式，改善干燥過(guò)程中由于射流壓強(qiáng)分布不均導(dǎo)致的極片烘干質(zhì)量不良問(wèn)題。李青華等[9-10]研究了不同箱體結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)嘴出風(fēng)均勻性的影響。丁俊健[11]通過(guò)研究確定了導(dǎo)流板在風(fēng)嘴以及箱體內(nèi)部有助于改善風(fēng)速均勻性。Huang等[12-14]通過(guò)研究懸浮式噴嘴的流場(chǎng)特性，對(duì)鋰離子電池懸浮式烘箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于懸浮式烘箱的研究，多為采用數(shù)值模擬的方法對(duì)懸浮式烘箱箱體結(jié)構(gòu)、風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，且多以提升風(fēng)嘴出風(fēng)速度作為優(yōu)化最終目標(biāo)，但均未考慮優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)對(duì)基材表面干燥的實(shí)際影響效果。

因此，本文建立風(fēng)嘴到基材之間的熱風(fēng)干燥模型，并利用數(shù)值仿真的方法研究風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)對(duì)基材干燥性能的影響，并確定最優(yōu)風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)。

1 模型的建立

1.1 懸浮式烘箱的工作原理及結(jié)構(gòu)分析

懸浮式烘箱在進(jìn)行基材干燥時(shí)，熱風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)室并在其內(nèi)部擴(kuò)散，經(jīng)勻風(fēng)板勻流后從風(fēng)嘴狹縫出口吹出，沖擊并干燥運(yùn)動(dòng)的基材。烘箱內(nèi)部沒(méi)有支撐輥，基材由上下交錯(cuò)的風(fēng)嘴吹出的熱風(fēng)進(jìn)行懸浮支撐，其在烘箱內(nèi)部以類(lèi)似正弦波的形式向前運(yùn)動(dòng)。本文根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)建立了懸浮式烘箱的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。選取單個(gè)風(fēng)嘴及其兩側(cè)基材作為研究對(duì)象，且對(duì)基材的寬幅進(jìn)行了縮減。烘箱結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

1.2 流體域建立及網(wǎng)格劃分

本文利用Fluent軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，首先對(duì)上述簡(jiǎn)化模型進(jìn)行流體域建模，風(fēng)嘴設(shè)計(jì)整體長(zhǎng)度為1 200 mm，風(fēng)嘴與基材之間的距離為5 mm，風(fēng)嘴出風(fēng)口狹縫寬度為4 mm。設(shè)置風(fēng)嘴入口風(fēng)速為5 m/s，熱風(fēng)溫度為90 ℃，基材移動(dòng)速為20 m/min，且基材設(shè)置為吸熱體。采用速度入口和壓力出口作為邊界條件，如圖2所示。

圖1 懸浮式烘箱及簡(jiǎn)化模型

圖2 邊界條件

建立好流體域模型后，利用Fluent meshing對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)入口以及基材表面進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終共劃分2 295 131個(gè)網(wǎng)格。對(duì)劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，其單元質(zhì)量接近于1，偏斜比小于0.5，且未出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，因此可導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計(jì)算。

1.3 流體仿真分析

在參考面的中心位置處，沿著基材移動(dòng)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到風(fēng)速與溫度分布曲線(xiàn)，如圖4所示。令參考平面中心處為坐標(biāo)原點(diǎn)，基材移動(dòng)的方向?yàn)檩S正方向，可將數(shù)據(jù)提取位置劃分為3個(gè)區(qū)域，其中區(qū)域1（?0.15～0.07 m）與區(qū)域3（0.07～0.15 m）所在位置包含了風(fēng)嘴狹縫以及向外延伸的部分，區(qū)域2（?0.07～0.07 m）則包含了兩狹縫之間漩渦堆積的區(qū)域。由圖4中可以看出，黑色速度曲線(xiàn)與紅色溫度曲線(xiàn)的峰值皆處在狹縫所在的區(qū)域1與區(qū)域3之中。而在區(qū)域2之中，由于受漩渦堆積的影響，無(wú)論是速度還是溫度曲線(xiàn)，均有大幅度下降趨勢(shì)。

圖3 流場(chǎng)模型跡線(xiàn)

圖4 基材表面風(fēng)速與溫度分布曲線(xiàn)

對(duì)圖4中數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，在區(qū)域1與區(qū)域3分別提取速度與溫度的峰值，在區(qū)域2中對(duì)速度和溫度的平均值以及均方差進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，在區(qū)域1與區(qū)域3中的風(fēng)速峰值分別為24.12 m/s和24.79 m/s，但區(qū)域2中的平均風(fēng)速僅有1.59 m/s，且均方差為3.89，說(shuō)明區(qū)域2中絕大部分風(fēng)速都與平均風(fēng)速接近，與峰值風(fēng)速差距過(guò)大。同理，區(qū)域1與區(qū)域3中峰值溫度分別為361.63 K和360.57 K，區(qū)域2中平均溫度僅有321.19 K，且均方差較大，說(shuō)明該部分溫度數(shù)值波動(dòng)較大，且同樣存在與峰值溫度差值過(guò)大的問(wèn)題。

經(jīng)上述分析可知，在基材表面的漩渦堆積會(huì)對(duì)基材的換熱產(chǎn)生不良影響。

2 風(fēng)嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 泄壓孔設(shè)計(jì)原理

為了改善風(fēng)嘴底部存在的渦流問(wèn)題，通過(guò)在風(fēng)嘴底部設(shè)計(jì)泄壓孔使得部分氣流由狹縫噴出后通過(guò)泄壓孔進(jìn)入泄壓腔內(nèi)部，從而減小漩渦對(duì)基材表面風(fēng)速以及溫度的影響，提高基材干燥效率。圖5所示為風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比。

圖5 優(yōu)化前后風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.2 泄壓孔排列方式及尺寸確定

在進(jìn)行泄壓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的泄壓孔作為研究對(duì)象。如圖6所示，泄壓孔的孔徑，橫向孔距1，縱向孔距2以及泄壓孔的列數(shù)有所差別。

圖6 泄壓孔排列尺寸

將未進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)作為對(duì)照組，共設(shè)計(jì)出7種方案進(jìn)行對(duì)比研究，這7種方案的尺寸設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 優(yōu)化方案尺寸規(guī)格

Tab.1 Dimensional specifications for optimized schemes

2.3 仿真分析

2.3.1 流場(chǎng)分析

圖7所示為2種不同風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)的基材表面流場(chǎng)分布云圖。圖7a、7b和7c分別是沒(méi)有設(shè)計(jì)風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)時(shí)，基材表面的溫度和壓力的分布情況。由圖中色塊的分布可以看出，基材表面的風(fēng)速與溫度會(huì)在兩風(fēng)嘴狹縫之間的區(qū)域出現(xiàn)大范圍的低值區(qū)域。由壓力分布可以看出，風(fēng)嘴內(nèi)側(cè)中心區(qū)域的壓力較高，而上下兩側(cè)的邊緣區(qū)域的壓力較低。圖7d、7e和7f所示為有風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)時(shí)，基材表面的流場(chǎng)分布。與圖7a、7b和7c對(duì)比可以看出，風(fēng)嘴兩狹縫之間區(qū)域的風(fēng)速和溫度會(huì)有明顯提升，在溫度分布中，高溫分布的區(qū)域明顯增加；在風(fēng)速分布上可以看出，基材表面的峰值風(fēng)速會(huì)有所降低。由壓力分布可以看出，通過(guò)設(shè)計(jì)泄壓孔結(jié)構(gòu)可以使得中心區(qū)域的壓力產(chǎn)生明顯下降。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行與優(yōu)化前相同的數(shù)據(jù)處理，優(yōu)化后的風(fēng)速以及溫度量化數(shù)據(jù)如表2、表3所示。由表2和表3中數(shù)據(jù)可以看出，增加泄壓孔結(jié)構(gòu)后的風(fēng)嘴，在區(qū)域2中無(wú)論是風(fēng)速還是溫度均有一定程度的提高。

圖7 基材表面流場(chǎng)分布云圖

表2 優(yōu)化方案獲取的風(fēng)速

Tab.2 Wind speed obtained through optimized scheme

表3 優(yōu)化方案獲取的溫度

Tab.3 Temperature obtained through optimized scheme

在上述方案中，方案1、2、4的峰值風(fēng)速的降低程度明顯，過(guò)低的風(fēng)速不利于基材的干燥。如圖8a所示，方案3、5、6、7在區(qū)域1和區(qū)域3中的峰值風(fēng)速相近且與優(yōu)化前相比降低程度較低，而在區(qū)域2中，方案6的平均風(fēng)速最高為4.91 m/s，均方差則最低，僅為3.03。通過(guò)與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，方案6在區(qū)域2中風(fēng)速提升效果尤為明顯，且更加穩(wěn)定。結(jié)合表3以及圖8b中的溫度變化數(shù)據(jù)可知，增加泄壓孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)嘴對(duì)區(qū)域1與區(qū)域3中峰值溫度數(shù)值均相近，而在區(qū)域2中的平均溫度也有了明顯的提升，其中方案6的平均溫度較高，且均方差較低，可以認(rèn)為該方案的改善結(jié)果較為理想。綜上所述，方案6的優(yōu)化結(jié)果最好，可作為相對(duì)最優(yōu)方案。

圖8 優(yōu)化前后基材表面風(fēng)速（a）及溫度（b）數(shù)據(jù)對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)采用5 mm厚透明亞克力板材自制實(shí)驗(yàn)箱體進(jìn)行風(fēng)速以及溫度的測(cè)量，將風(fēng)嘴按照與仿真模型1∶2的比例等比縮小，箱體結(jié)構(gòu)則根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)原理如圖9所示。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案利用5 mm厚透明亞克力板材搭建烘箱實(shí)驗(yàn)箱體如圖10a所示，箱體內(nèi)部的基材在干燥時(shí)的狀態(tài)如圖10b所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)箱測(cè)量原理

圖10 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將熱風(fēng)溫度設(shè)定為45 ℃，待箱體內(nèi)氣流溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的風(fēng)嘴如圖11所示，其中圖11b中風(fēng)嘴的泄壓孔尺寸按照選定的相對(duì)最優(yōu)泄壓孔尺寸進(jìn)行等比縮放。

圖11 風(fēng)嘴模型

3.2 風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)干燥效果驗(yàn)證

對(duì)測(cè)量的風(fēng)嘴進(jìn)行編號(hào)，其中未開(kāi)泄壓孔的2個(gè)風(fēng)嘴分別為風(fēng)嘴1和風(fēng)嘴2，開(kāi)泄壓孔的風(fēng)嘴分別為風(fēng)嘴3和風(fēng)嘴4。對(duì)基材表面兩側(cè)狹縫正下方區(qū)域，以及兩狹縫中間區(qū)域進(jìn)行溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)的測(cè)量，每一個(gè)風(fēng)嘴在一側(cè)測(cè)量區(qū)域采集8組數(shù)據(jù)，即每一個(gè)風(fēng)嘴共采集24組數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

如表4中數(shù)據(jù)所示，風(fēng)嘴1與風(fēng)嘴2左右兩側(cè)狹縫區(qū)域風(fēng)速的最高值為15.57 m/s，最低值為15.26 m/s，兩狹縫之間區(qū)域風(fēng)速最高值為2.87 m/s。在設(shè)計(jì)泄壓孔后，左右兩側(cè)狹縫風(fēng)速最高值與最低值分別為14.92 m/s和14.31 m/s，中間區(qū)域風(fēng)速最高值為3.43 m/s，整體分布滿(mǎn)足前文所述中風(fēng)速分布的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)表明，開(kāi)泄壓孔后的風(fēng)速變化也與前文分析一致。在溫度方面，在左右狹縫區(qū)域，4個(gè)風(fēng)嘴狹縫區(qū)域溫度最高值為42.09 ℃，最低值為41.42 ℃，相差僅為0.67 ℃。總體來(lái)看，增設(shè)泄壓孔結(jié)構(gòu)后，兩側(cè)狹縫出口的熱風(fēng)溫度相差不大。而在中間區(qū)域，風(fēng)嘴1與風(fēng)嘴2溫度的平均值為38.56 ℃，設(shè)計(jì)有泄壓孔的風(fēng)嘴中間區(qū)域平均溫度為40.60 ℃，差值為2.04 ℃，變化趨勢(shì)與前文分析相同，即增設(shè)泄壓孔后風(fēng)嘴狹縫中間區(qū)域的溫度會(huì)有所上升。綜合分析，增加了泄壓孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)嘴對(duì)基材的干燥效果更加理想。

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

Tab.4 Experimental measurement data

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了懸浮式烘箱風(fēng)嘴泄壓孔結(jié)構(gòu)對(duì)基材干燥性能的影響，研究結(jié)論如下：

1）本文根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)建立了懸浮式烘箱干燥熱風(fēng)流動(dòng)的流場(chǎng)仿真模型，經(jīng)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)高速的熱風(fēng)射流進(jìn)入流體域，撞擊基材表面后分別向入口兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，兩股氣流相撞互相擾動(dòng)，導(dǎo)致在2個(gè)狹縫之間會(huì)形成許多漩渦，從而對(duì)基材表面的風(fēng)速以及溫度分布產(chǎn)生不良影響。

2）針對(duì)基材表面存在的風(fēng)速以及溫度分布不均勻的問(wèn)題，在風(fēng)嘴上創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了泄壓孔結(jié)構(gòu)，并研究確定了泄壓孔的最優(yōu)排列方式和尺寸，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)能夠明顯改善由于基材表面復(fù)雜漩渦堆積而造成的干燥性能下降的問(wèn)題，基材的整體干燥性能明顯提升。

3）自行設(shè)計(jì)搭建了含泄壓孔風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)的懸浮式烘箱，對(duì)設(shè)計(jì)的泄壓孔結(jié)構(gòu)及仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)有泄壓孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)嘴能明顯改善由于漩渦堆積造成的風(fēng)速和溫度較低的現(xiàn)象，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果的正確性。

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Optimized Design and Experimental Verification of Suspended Oven Nozzle Structure

WU Qiumin*, JIAO Xinkang, XIA Yukang, LIU Teng

(Faculty of Printing, Packing and Digital Media Technology, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The work aims to innovatively design the structure of the nozzle pressure relief hole to optimize the vortex formed between the nozzle and the substrate due to airflow impingement which leads to the problem of non-uniformity of wind speed and temperature buildup on the surface of the substrate. A single nozzle simulation model was established by Fluent, and numerical simulation was carried out by the turbulence model to analyze the effect of the nozzle with or without pressure relief hole structure on the drying characteristics of the substrate. Meanwhile, the relative optimal scheme was determined among seven designed structures of pressure relief hole, and the reasonableness of the optimal structure design of nozzle pressure relief hole was verified by setting up an experimental bench. The experimental results showed that by adding the relatively optimal nozzle pressure relief hole structure, the average wind speed in the vortex generating area on the surface of the substrate increased by 3.32 m/s, with the mean square deviation decreasing by 0.86, and the average temperature increased by 24.76 K, with the mean square deviation decreasing by 5.96, which indicated that the nozzle with the design of the relief hole structure could significantly improve the phenomena of lower wind speed and temperature due to the buildup of the vortex flow. The nozzle designed with pressure relief hole has a significant increase in wind speed and temperature in the area between the two slits, and the pressure generation in the vortex area decreases significantly, which improves the phenomena of lower wind speed and temperature caused by vortex between the two slits of the nozzle.

suspended oven; hot air drying;optimized design of nozzle; experimental verification

TB482.2

A

1001-3563(2024)09-0150-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.09.019

2023-11-20

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2022JZ-30）；陜西省教育廳重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目（20JY054）；國(guó)家自然科學(xué)基金（52075435）