基于Fluent的某濾棒成型機中線膠槍噴嘴流場分析

李 俏，楊 斌，王鵬程，黃永程

（廣東理工學院，廣東肇慶526100）

基于Fluent的某濾棒成型機中線膠槍噴嘴流場分析

李 俏，楊 斌，王鵬程，黃永程

（廣東理工學院，廣東肇慶526100）

針對某濾棒成型機中線膠上膠連貫性以及漏膠現象，采用數值模擬軟件分析研究其原因以及提出改進措施并且驗證。主要建立了某濾棒成型機中線膠槍噴嘴的三維模型，借助于計算機專業CFD軟件Fluent仿真模擬中線膠槍噴嘴在不同工況下噴膠情況，最后驗證減小噴膠嘴孔徑這一方法可以有效地減少漏膠現象。

中線膠槍噴嘴；Fluent；流場數值模擬

0 前言

某濾棒成型機設備運行一定時間后，多臺機器出現噴涂量大、漏膠較多、中線膠殘缺、噴嘴堵塞等問題。噴涂量大造成原輔料白乳膠（聚醋酸乙烯酯）浪費、噴嘴漏膠引起生產現場衛生狀況差[1]。同時，由于所漏出的膠停留集聚在噴嘴處，固化后堵塞噴嘴出口，造成中線膠不連貫、殘缺，甚至無中線膠，存在較大的質量隱患。而且設備故障次數增加，導致濾棒供給壓力增大，在很大程度上影響了生產效率。

為了減少中線膠殘缺次數及減少漏膠量，提升中線膠噴涂效果。經過現場組織調查研究，找出其原因，最終確定要因為中線膠槍噴嘴口冷膠壓力不足。

對于上面提到的問題，提出兩種對策，一是更換最新的上膠裝置，二是減小噴膠嘴孔徑。通過對上述兩種對策的綜合分析，方案一雖然能夠增加噴嘴口冷膠出膠壓力，但是由于費用太過高昂，不符合行業內降本增效的大形勢。所以最終采用“方案二”這一對策來提升成型機濾棒中線膠的噴涂效果。本文在前人研究基礎上利用當今應用普遍且快速發展的計算機技術CFD中的Fluent仿真模擬中線膠槍噴嘴在不同工況下噴膠情況，驗證減小噴膠嘴孔徑這一方法的有效性，通過仿真模擬驗證，這一方法可以有效地減少漏膠現象。

1 中線膠槍噴嘴數學模型的建立

圖1 中線膠槍噴嘴結構示意圖

圖2 中線膠槍噴嘴數學模型

2 中線膠槍噴嘴流場模擬仿真

根據所引用中線膠槍噴嘴噴膠，可認為是液體介質作用，采用fluent數值仿真時采用單相流仿真模擬膠在中線膠槍噴嘴內的流動情況。

2.1 模型網格劃分

網格采用CFD系列軟件ICEM CFD劃分，應用四叉樹（二維）∕八叉樹（三維）方法，直接劃分四邊形∕六面體為三角形∕四面體，該方法不用考慮相鄰單元之間的相交性及相容性等問題，則其生成網格的速度快。本文模型劃分的是三角形（四面體）非結構化網格，不同孔徑大小的中線膠槍噴嘴網格單元數分別為361120、593321。劃分后的網格如圖3所示。

圖3 模型網格劃分圖

2.2 模擬參數設置

根據中線膠槍噴嘴的實際工況，冷膠的出口直徑D1=1mm，D2=2mm，根據工況，膠進口速度為10m∕s，進口邊界條件為出口均采用壓力出口，邊界條件均采用自由邊界條件。其中物理模型中涉及的連續性方程為

其中u、ν、ω是各個速度矢量在坐標軸x、y、z方向上的各個分量。

N-S方程[2]為

湍流強度為[3]

湍動能為

湍功耗散率為

式中，ReDH為按水力直徑DH計算得到的雷諾數，μ為平均流速，Cu為耗散率系數，Cu=0.09，l為湍流長度尺度，l=0.07，L為水力直徑。

2.3 數值模擬結果

經過仿真模擬計算，可得中線膠噴嘴出口動壓力云圖（如圖4所示），從云圖中明顯可以看到孔徑為1mm的出口動壓力為0.0332MPa、孔徑2mm的出口動壓力為0.00223MPa，很好地驗證了可以通過減小中線膠噴嘴的孔徑直徑來增加噴涂到膠紙上的冷膠壓力，這樣就可以增大噴嘴處乳膠對成型紙的附著力，增強黏附效果，從而提升噴涂效果，減少中線膠槍噴嘴漏膠這一問題。

圖4 噴嘴出口動壓力云圖

減小中線膠噴嘴孔徑大小其有效性可分為如下三大方面:

1）成型紙表面有孔洞，更大的沖擊力能使白乳膠更好的附著在成形紙上；

2）避免白乳膠因膠嘴的孔徑過大而從間隙中漏出；

3）可適當減少煙用白乳膠出膠量，同時保證上膠效果。

根據上述第三點效益，減少膠出膠量可以保證上膠效果，所以現把膠流量從18毫克∕分鐘改為8毫克∕分鐘，再次仿真模擬計算再次得到孔徑大小為1mm的中線膠噴嘴出口壓力云圖（如圖5所示），從圖中可知膠流量為18毫克∕分鐘、8毫克∕分鐘的中線膠噴嘴出口壓力分別為0.109Pa、0.408Pa，明顯可以減少膠出量增加噴涂到膠紙上的冷膠壓力，達到同樣的效果。

圖5 噴嘴出口動壓力云圖

4 結論

為了減少中線膠槍噴嘴漏膠這一問題，通過分析原因提出方法——減小中線膠槍噴嘴孔徑大小，一方面理論分析了這一決策的正確性，另一方面通過建立改進中線膠槍噴嘴模型的三維圖，采用計算機技術CFD Fluent仿真模擬中線膠槍噴嘴內部冷膠引射的過程，模擬結果驗證減小噴膠嘴孔徑這一方法可以有效地減少漏膠現象，最后用同樣的方法驗證了也可以通過減少膠出流量來達到同樣的效果。

[1]王棟梁.某煙草加香加料機的設計與仿真研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[2]休斯W F，布萊頓JA.流體動力學:第1版[M].北京:科學出版社，2002.

[3]王福軍.計算流體動力學分析CFD軟件原理與應用:第1版[M].北京:清華大學出版社，2004.

TS43

A

1673-2928（2018）02-0037-03

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.010

2017-10-31

高等學校本科教學質量與改革工程廣東省教學團隊（機械設計制造及其自動化專業教學團隊）建設（項目編號：171）；廣東理工學院科技項目（項目編號：GKJ2016010）。

李俏（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：數字化設計與制造。

郝安林）