薄膜生產線熱風系統的數值模擬

王建，陳東杰，黃永生，馬云華

(1.北京理工大學化工與環境學院，北京 100081；2.桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

薄膜生產線熱風系統的數值模擬

王建1，陳東杰1，黃永生2，馬云華2

(1.北京理工大學化工與環境學院，北京 100081；2.桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

熱風系統給風場的穩定性和均勻性對薄膜生產造成關鍵影響。為了研究現有薄膜熱風系統中的空氣流動情況，本文采用數值模擬的方法，在常溫常壓環境和風機轉速為1 600 r/min條件下，計算得到了系統組件在工作過程中的風速和風壓的流場情況，并做了分析。研究結果表明：氣流在風箱中運動帶有較強烈的湍動，并在風箱盡頭的壁面產生了回旋，中間氣墊層的速度分布并不均勻，氣墊層的速度偏差最大達到了5.8 m/s，中間氣墊層的壓力分布也不均勻，距離進風端越遠壓力越大，氣墊層的壓力最大偏差達到37 Pa，斜向孔以及風箱之間的間隔對氣墊層的速度和壓力分布有一定影響。

熱風系統；氣墊層；流場；風箱；數值模擬

近十年來，國際上雙軸定向技術的發展突飛猛進，大量的國外薄膜生產線進入我國，主要是德、日、法國的各大公司，為了獲取一定的市場份額，不惜投入大量的人力、物力、財力，通過技術創新，不斷提高其技術水平，使市場競爭演變成了技術水平的競爭，目前大型國產雙向拉伸薄膜生產線的開發和生產已具備了可能性和必要性，是國產線發展的最好時機[1]。雙軸定向拉伸，是使線性高聚物定向的重要手段，它是獲得大寬度、極小厚度、高品質薄膜的最佳方法。雙向拉伸薄膜生產線是一套由四十多臺套標準及非標準設備組成的一種大型高度自動化裝置，其工藝流程為：原料處理系統→擠出計量系統→鑄片系統→雙向拉伸系統→薄膜表面處理系統→薄膜卷取系統→分切系統[2]。在雙向拉伸系統中，鑄片經過縱向拉伸后隨即進入橫向拉伸機進行拉幅操作[3]，橫向拉伸機的溫度場是通過熱風循環系統實現的，如何形成一個準確而穩定的溫度場，使薄膜能穩定地、合理地吸、放熱，是加工高分子材料的技術關鍵[2]，因此有必要對薄膜生產線的熱風系統進行數值模擬，以期對現有技術進行改進和提高。

1 數學物理模型

1.1 幾何模型

按照熱風系統原始圖紙采用計算機輔助設計CAD軟件進行1：1重新建模，為方便計算去除了筋板、肋條、螺母、螺栓等小零件和倒角、螺紋孔等結構。圖1是簡化后的熱風系統的三維立體圖。熱風系統采用了四個風箱，上下對吹的結構，由一個風機提供風源。風箱總長4 050 mm，寬400 mm，高550 mm，壁厚1 mm，出風孔直徑14 mm，每個風箱上有出風孔4排，排間距為100 mm，列間距為90 mm，每排左右錯位20 mm，每個風箱上的出風孔共100個（4×25）。圖中，前端上下兩個風箱有兩排孔采用了斜向結構，導風向后面吹。

1.2 物理模型

圖1 簡化后的熱風系統的三維立體圖

為了便于分析和計算，根據實際的工藝過程做出假設如下：（1）流體流動為定常流動，與時間無關，且沒有與時間相關的干擾或擾動因素；（2）空氣的相關特性參數如下：空氣密度為1.2 kg/m3，絕熱指數為1.399，分子質量為0.028 96 kg/mol；空氣采用動態黏度，在2×10-5Pa·s左右隨溫度發生一定變化；比熱容在1 000 J/（kg·K）左右隨溫度發生一定變化；導熱系數在0.05 W/（m·K）左右隨溫度發生一定變化；（3）風箱外壁為絕熱條件，壁面無摩擦；（4）流體初始壓力溫度恒定為常溫常壓，所以初始系統溫度為常溫20 ℃，壓力為常壓101 325 Pa。根據上述假設條件，采用描述氣體流動的控制方程包括連續性方程、運動方程和能量方程，以及本構方程等，這里不再詳細列出。

2 數值計算方法

2.1 網格劃分

采用有限體積法進行數值計算。采用自適應直角坐標網格方法。由于系統結構較為復雜，初始整體的網格劃分級別設定為5。風箱開孔處尺寸很小，因此進行了網格細化，以提高計算結果的精確性。劃分后的系統網格總數為711 530，其中流體網格數為468 749。

2.2 邊界條件

根據實際的工況條件設定模型的邊界條件。采用了外部分析，選定包圍熱風系統的計算區域大小為：長5.1 m，寬1.2 m，高1.8 m。根據風機型號（4-72-13系列離心風機）及相關數據，繪制出的風機的性能曲線。相關參數如下：風扇轉速為1 600 r/min=167.47 rad/s（順時針轉動），壁面粗糙度為0，外界壓力為101 325 Pa，溫度為20 ℃=293.2 K；流動類型設定為層流和湍流的混合狀態。本文主要研究的是熱風系統在常溫常壓下工作的流場情況，主要目標是用以分析風箱出風后產生的氣墊層的均勻性，因此數值求解的目標以速度和壓力為主。因此求解目標定義為速度和壓力。在數值計算流場時，固體壁面設為無滑移壁面條件，計算域表面為自由表面。在HPXW9300工作站上完成計算，本案例計算時間為7.5 h左右。

3 結果與分析

3.1 氣體流動情況分析

圖2為氣體在熱風系統中的流動軌跡圖，可以清楚地看到熱風箱氣體的流動狀態。在風機的一定轉速（1 600 r/min）下，氣流通過輪轂吸入風箱中，經壓縮向上下兩組風箱流動，渦旋流動較大，流動形態復雜；進入風箱后近壁面的氣體流動較平穩，但仍由于后端氣體推動呈現渦旋流動形態；從軌跡圖中可以看出風箱盡頭的壁面還造成了氣流的回旋，由于是風扇提供氣流運動的動力，所以氣流并不是很平順地走完從進入風箱到從出風孔排出的路程，而是帶有著較強烈的湍動。

圖2 熱風系統中空氣流動軌跡圖

3.2 氣體流動速度分析

取剖切面做流場分析可以較為全面的了解區域中速度的整體分布情況。圖3顯示了熱風系統中的氣體流動速度場的縱向剖視圖3（a）和橫向剖視圖3（b），縱向剖視面位于穿過前兩個風箱第二排出氣孔位置。圖中可以看出，最大速度可達43.337 m/s；氣流入口處的速度梯度最大，是由于風扇產生的湍流造成的；當氣流拐入風箱后速度梯度變化稍大，之后漸漸平緩；在風箱最末端的速度趨于零；而在出風孔處速度變大。氣體以較高的速度從上下風箱出風孔中流出，在風箱中間位置產生一個較為均勻的氣墊層，此氣墊層用于薄膜的加熱保溫等，因此氣墊層的均勻性需要保證。橫向剖視面位于上風箱近出氣孔位置?？梢钥闯觯诔鰵饪孜恢盟俣忍荻容^大，由于湍流的原因使出氣孔處的流速變化呈現波動狀態。由于前面兩個風箱有兩排出氣孔采用了斜面，所以可以從橫向剖視圖中看出變化情況，斜面出氣孔產生的速度梯度更大一些。

圖3 熱風系統中的氣體流動速度場

為了進一步看出實際的變化及速度值，單獨取了各排孔中心連線上的速度值（連線位置如圖1(a)所示）進行定量的分析。對各排孔中心速度值做了曲線圖（如圖4所示）。表1是各排孔中心速度最大值、最小值和標準偏差?？梢?，各排孔的速度值的變化都存在明顯波動，是由于湍流造成的；但波動變化略有不同，上風箱1四排孔中心速度的平均標準偏差（0.94）最小，其次是下風箱1（1.02）、上風箱2（1.22）和下風箱2（1.42），速度最大差了5.11 m/s；下風箱2的整體速度偏大，且波動幅度過大，其最大值達到了36.71 m/s。

圖4 各排孔中心速度

圖5顯示了上下風箱中間面的速度場。中間面是氣墊形成的區域，此處的速度場要求越均勻越好。從圖中可以看出，在出風孔對應處的速度較大。由于前兩個風箱有兩排出風孔是朝里斜面吹風的，所以可以看出圖中上面區域的風速略高，且在兩邊有斜向上的速度梯度。

為了定量研究速度的均勻性，在中間面上取了等距的三條線（如圖1(b)所示）來分析速度值的大小偏差情況。圖6顯示了中間面三條線上的速度值變化情況。可見，中間氣墊層的速度分布并沒有想象的那么均勻，遠離出氣孔區域的速度較小且均勻。出氣孔區域的速度則波動較大。隨著出氣孔的出現，氣流速度變大，尤其在氣墊層中心線上的出現駝峰，說明速度突升較大；之后隨著遠離進氣端氣流速度有變小趨勢；當進入無出氣孔區域時，三條中心線都出現駝峰，說明速度又有突增的過程。與中間線相比，風箱1和2區域的速度波動較小，速度主要集中在2～3 m/s，且距離進風端越遠，速度趨于變小。中間線區域的速度左右有兩個駝峰，波動相對很大，其主要受到了風箱1和2之間間隔區域的影響。同時，圖中幾個最大的駝峰受到了上下風箱2的兩排斜向孔的影響。表2給定了三條等距線上的最大最小值及偏差。可見，最中間區域的最大值最大，偏差也最大。風箱2區域的最大值最小，偏差也最小。速度偏差最大達到了5.8 m/s。此數據結果也可用以指導薄膜放置位置，為避免駝峰的較大速度產生影響，應選擇靠近出氣孔陣列內部區域位置。

表1 各風箱出風孔中心速度值（m/s）及相關數據

圖5 熱風系統中上下風箱中間面的氣體流動速度場

圖6 熱風系統中上下風箱中間面三條等距線的氣體流動速度

3.3 氣體壓力分析

圖7顯示了風箱中的氣體壓力場的縱向剖視圖7（a）和橫向剖視圖7（b），縱向剖視面位于穿過前兩個風箱第二排出氣孔位置。圖中可以看出，氣流入口處的壓力梯度最大，有負壓產生，這是由于風扇產生的吸力造成的。當氣流拐入風箱后壓力梯度變化稍大，之后漸漸平緩；下風箱壓力比上風箱的要大。在出風孔處壓力變大，壓力梯度也大。氣體以較高的壓力從上下風箱出風孔中流出，風向外部氣壓明顯比風箱內的要低很多，趨于常壓。同速度場比較可以看出，壓力場的變化范圍不大，較為均勻。橫向剖視面位于上風箱近出氣孔位置?？梢钥闯觯L扇和出氣孔位置的壓力梯度較大，其他位置壓力很均勻，風箱內外的壓力相差也不大。

表2 上下風箱中間面三條等距線的速度值（m/s）及相關數據

圖7 熱風系統中的氣體壓力場

為了進一步看出實際的變化及壓力值，單獨取了各排孔中心連線上的壓力值（連線位置如圖1(a)所示）進行定量的分析。對各排孔中心壓力值做了曲線圖（如圖8所示）。表3是各排孔中心壓力最大值、最小值和偏差?？梢?，各排孔的壓力值的變化都存在波動，遠離進風端的壓力波動較大，是由于湍流造成的；各個風箱的波動變化略有不同，上風箱1四排孔中心壓力的偏差平均值（194 Pa）最大，其次是下風箱1（145 Pa）、下風箱2（139 Pa）和上風箱2（134 Pa）；上風箱1的整體壓力偏大，且波動幅度過大，其最大值達到了102 946 Pa；上風箱的兩排斜向孔出口壓力最小。

圖8 各排孔中心壓力

表3 各風箱出風孔中心壓力值（Pa）及相關數據

圖9顯示了上下風箱中間面的壓力場。中間面是氣墊形成的區域，此處的壓力場要求越均勻越好。從總體圖觀察可以看出，中間氣墊層的壓力較為均勻；但由于前兩個風箱有兩排出風孔是朝里斜面吹風的，所以可以看出圖中上面一部分區域的壓力略高。

為了定量研究氣墊層中壓力的均勻性，在中間面上取了等距的三條線（如圖1(b)所示）來分析壓力值的大小偏差情況。圖10顯示了中間面三條線上的壓力值的變化情況?？梢姡L箱1區域的壓力偏大，波動也較大；風箱2區域的壓力偏小，距離進風端越遠，壓力越大；中間區域也有壓力變大的趨勢，這主要是受到風箱2斜向孔的影響。表4給定了三條等距線上的最大最小值及偏差。可見，風箱1區域的最大值最大，偏差也最大。風箱2區域的最大值最小，偏差也最小。壓力最大偏差達到37 Pa。

圖9 熱風系統中上下風箱中間面的氣體壓力場

圖10 熱風系統中上下風箱中間面三條等距線的氣體壓力

表4 上下風箱中間面三條等距線的壓力值（Pa）及相關數據

4 結論

使用CFD軟件，數值研究分析了常溫常壓下空氣在風機驅動下進入熱風系統的風速和風壓流場情況，分析討論了風箱出口處風速和風壓的變化情況，分析討論了上部風箱和下部風箱中間位置處的風速和風壓情況。研究結果表明：①氣流并不是很平順地走完從進入風箱到從出風孔排出的路程，而是帶有著較強烈的湍動，風箱盡頭的壁面造成了氣流的回旋。②出氣孔區域的速度梯度較大，中間氣墊層的速度分布并不均勻，遠離出氣孔區域的速度較小且均勻。氣墊層的速度偏差最大達到了5.8 m/s。③出氣孔區域的壓力梯度較大，中間氣墊層的壓力分布也不均勻，距離進風端越遠壓力越大。氣墊層的壓力最大偏差達到37 Pa。④風箱2的斜向孔以及風箱之間的間隔對氣墊層的速度和壓力分布有一定影響。

由速度分布和壓力分布情況，以及流動軌跡的情況可知，氣流排出風箱的孔后形成的氣墊層不是十分均勻，需要改變風箱結構、孔徑、孔的排布等來進行優化。根據對速度和壓力場的分析可知，為提高氣墊層的均勻性，還需對設備結構做進一步的改進。可考慮從以下幾個方面對風箱結構做改進：①設計矩形風箱為梯形，以減小風箱尾端的渦旋流及速度死區；②改變孔的大小及排布，增加孔的列數至風箱尾端；③縮小風箱1和2之間的間隔。

[1] 趙桂旭. 聚酯薄膜生產線的技術創新[J]. 塑料科技，2012，40(3)： 86～88.

[2] 唐必連，黃建津，譚海疆. 大型雙軸定向薄膜生產線國產化分析[J].絕緣材料，2004，37(5)： 55～57.

[3] 馮樹銘. 雙向拉伸PET薄膜生產線技術（續四）[J]. 聚酯工業，2011，24(4)： 59～61.

Abstract:The stability and uniformity of hot air system wind field cause critical impact on film production. In order to study the air f ow of existing f lm hot air system, we use numerical simulation method, under conditions of normal temperature environments and fan speed of 1600 r/min, calculate the f ow field of wind speed and air pressure of the system components during operation, and make analying. The results show that: the wind f ows in the wind box motion with a relatively strong turbulence, and has a whirling at the end wall of the dir box. The speed of the intermediate cushion layer is not evenly distributed, the Max. deviation of the speed is 5.8 m/s, the pressure of the intermediate cushion layer is not evenly distributed either, The longer the distance from inlet side, the greater the pressure, the Max. deviation of the pressure reaches 37 Pa. Oblique holes and spacing between air boxes have a certain effect on the speed and pressure distribution of cushion layer.

NNuummeerriiccaall ssiimmuullaattiioonn ooff hhoott aaiirr ssyysstteemm of f lm production linee

Numerical simulation of hot air system of f lm production line

Wang Jian, Chen Dongjie, Huang Yongsheng, Ma Yunhua
(1. School of chemical engineering & environment, Beijing Institute of Technology, 100081 Beijing, China;2. Guilin Electrical Equipment Scientif c Research Institute Co., Ltd., Guilin 541004, Guangxi, China)

hot air system; cushion layer; f ow f eld; wind box; numerical simulation

TQ320.663

1009-797X(2015)08-0036-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.08.006

(XS-04)

王建（1984-），男，講師，畢業于北京化工大學，現主要從事高分子材料先進制造相關研究工作。

2014-11-13