不同吹風裝置結構有限元比較分析與研究

2018-03-16 06:03:03呂煒帥李欣邊慧光

橡塑技術與裝備 2018年6期

呂煒帥，李欣，邊慧光

(1.天津機電職業技術學院，天津 300350;2.青島科技大學機電工程學院，山東青島 266061)

擠出聯動生產線廣泛用于輪胎胎面、胎側、內胎等復雜斷面形狀制品與半制品的生產[1]。聯動冷卻線由空冷、浸泡水冷、噴淋水冷等形式。吹風裝置主要用于有效解決擠出機擠出的條狀制品經水槽冷卻后表面帶有的殘留水分的去除問題，實際生產中需要在最終半成品收取之前對其進行吹干，以免影響后續工藝生產[2]。由于制品斷面不規則，吹風量大小變化等原因，影響了實際生產中制品的吹干效果[3]。吹風裝置在制品吹干過程中會產生不同的流場分布，而且流場復雜，無法手工計算[4]。如何更好的選擇合理化的吹風裝置，獲得理想的流場速度分布，并對相關產品結構優化設計，實現快速吹干制品，成為技術難題。本文利用ANSYS-FLUENT軟件討論將CFD引入到吹風裝置的設計中，由于CFD可以準確地給出流體流動的細節，因而不僅可以預測吹風裝置的性能，而且容易從對流場的定量分析中發現產品設計中存在的問題。通過對四種吹風裝置內部流場的數值模擬，得到氣流在不同吹風裝置中的流動規律，進而明確不同吹風裝置的結構特點，為后續合理化選擇應用及其產品結構優化設計奠定基礎。

1 幾何結構和網格模型

本算例的研究對象選取應用在復合擠出聯動線中輥道寬度為1 000 mm的四種吹風裝置，采用Solidworks建立吹風裝置內部流體的三維流體模型。其具體結構信息如表1。

關于不同吹風體結構說明：

吹風體1和吹風體2通過中間導流板結構分流，出口氣流經矩形出口流出（詳見表2）。其中吹風體1與吹風體2入口方向不同。吹風體3和吹風體4整體結構一致，但出口流道結構不同，吹風體3出口為圓孔形，吹風體4出口為傾斜矩形。

2 計算方法

2.1 計算控制方程

本文研究吹風裝置中流體為空氣，屬于牛頓型流體，并假設空氣的黏性不隨吹風體溫度的改變而改變，黏性為定值的不可壓縮流體。在三維穩態湍流流動的計算過程中，控制方程是流體動力學計算基本守恒定律的數學表現形式，研究中應用的控制方程有質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，湍流運動控制方程采用標準的κ-ε模型[5]。

2.2 邊界條件

物理參數為等效溫度下的常量，則流道內流體的流動滿足連續性方程和動量方程，空氣密度=1.225 kg/m3，動力黏度=1.789×10-5Pa/s，由湍流強度：

其中，雷諾數：

表1 不同吹風體流體模型

v為流體的平均速度，m/s；d為流束的特征長度，m；ρ為介質密度，kg/m3；η為流體的動力黏度，Pa.s。

干燥裝置風源由1臺流量1 000 m3/h，壓力50 kPa，真空壓力31 kPa的旋渦氣泵提供，經管道連接將氣流輸送給干燥裝置各吹風裝置，入口流速取v=40 m/s，入口湍流強度值為3.5，回流湍流強度取5；吹風裝置進風口管徑54 mm，進風口入口條件設為速度入口，將出口條件設定為壓力出口，出口壓力為0 Pa，入口溫度設為298.15 K，出口溫度設置為300 K。壁面條件：固體壁面上采用無滑移條件。

2.3 材料設置

通風管道內的氣流為室內空氣，物理參數為等效溫度下的常量，則流道內流體的流動滿足連續性方程和動量方程[5]。

3 模擬與分析

采用標準的к-ε模型，求解器定義為基于壓力求解器(分離求解器) 隱式求解。壓力-速度耦合采用目前工程上應用最為廣泛的Simple 流場求解算法，經過200 次迭代后計算收斂。分別從FLUENT中讀取四種吹風體的速度場。四種模型的參數設置完全相同以便于進行直觀比較。

3.1 吹風體速度場分布

由表3中不同吹風體流體速度場云圖可見，流體在經過入口彎管段時，彎管的凸邊壁面流體流速減小，凹邊壁面流體流速增大，這是由于彎管對流體介質產生的轉向作用或離心力產生的二次流作用造成[7]；吹風體1和吹風體2中氣流通過中間導流板到達出口，吹風體1中出口位置速度場分布特點為：中部區域速度大，兩端區域速度小；吹風體2出口位置速度場分布特點為：整體分布均勻，出口速度方向一致度高。吹風體3和吹風體4由于內部無導流板結構，氣流經入口后直接流經出口流出，由于氣流自入口至出口不同位置與氣流流經行程軌跡有關，從而在出口位置形成不同的氣流分布特點。吹風體3出口位置速度場分布特點為：整體分布均勻，出口速度方向略雜亂，出口速度損失較大，中部區域速度大，兩端區域速度小；吹風體4出口位置速度場分布特點為：整體分布均勻，出口速度方向集中，中部區域速度大，兩端區域速度小，見表4。