激光切割設備的吸塵罩流場仿真及除塵研究*

江樺銳，肖海兵，張松嶺

(1.深圳市海目星激光智能裝備股份有限公司，廣東 深圳 518110；2.深圳信息職業技術學院 智能制造與裝備學院，廣東 深圳 518172)

吸塵罩是激光切割設備的重要部件之一，吸塵罩設計的合理性和有效性直接影響激光切割過程的除塵效果。吸塵罩的計算是否準確、設計是否合理對整個激光切割設備的除塵系統的技術經濟性能具有重要意義；粉塵通過吸塵罩進入除塵器；研究模擬吸塵罩的固氣二相流仿真十分必要。Hoover等[1]在針對鋸削、銑削過程粉塵排放的研究中，發現加工脆性材料比加工韌性材料產生的粉塵顆粒的質量中值直徑大。在相同的切削條件下，不同材料產生的粉塵量不同，且總體來說斷裂韌性越強的材料產生的粉塵量越多[2-3]。Balout等[4]分別對6061鋁合金鍛件、A356鋁合金鑄件、黃銅材料進行干切削測試，討論工件在不同熱處理后對產生粉塵的影響。工件材料經過預冷處理后，切屑的斷裂性增強，且減小了切削力，從而能減少至少70%的微粉塵；工件預熱增加了切屑的韌性，也增加了粉塵的產生量。曹彪等[5]研究了激光精密切割工藝及參數對切割質量的影響規律。文獻[6-7]研究了基于Fluent對井水除塵器的流場分析及其優化設計。D.Dekeyser 等[8-9]通過處理流量、流速以及風機功率間的試驗，在定風機功率工況下，研究氣流速度對粉塵流動的影響。文獻[10]研究機械加工車間環境影響分析及粉塵特性。基于此，針對激光切割金屬極片產生粉塵顆粒，研究激光切割設備的吸塵罩流場仿真模擬，探討其除塵效果。

1 粉塵吸收理論

1.1 基于氣流數值模擬仿真的吸塵系統粉塵吸收理論

激光加工工藝或工件材料產生的粉塵粒徑分布、排放等影響激光加工質量。激光振鏡切割過程粉塵會導致鏡片污染，影響光束質量，從而影響激光切割的質量。激光加工粉塵排放情況依據加工工藝和工件材料有所不同，解決粉塵問題從吸塵系統著手。粉塵顆粒不會靜止不動，必然在空氣中擴散和稀釋，形成粉塵顆粒在空間內的分布。粉塵顆粒的運動過程是很復雜的，即便忽略重力和通風對粉塵顆粒擴散的影響，粉塵顆粒也隨著主要由激光切割過程中運動引起的空氣紊流而擴散。

用計算流體力學(CFD)模型通過計算激光切割金屬片材產生的粉塵顆粒的運動軌跡，從而了解顆粒的分布規律或在室內的運動情況。采用數值模擬方法研究顆粒運動，主要有2種方法：基于拉格朗日坐標求解顆粒運動軌跡的方法和基于歐拉坐標求解顆粒濃度分布的方法。以其中拉格朗日方法來分析切削粉塵的空間特性，將空氣相看作連續相，求解單個顆粒的動量方程得到單個顆粒的運動軌跡：

(1)

式中，vp是顆粒的速度，單位為m/s；τ是時間，單位為s；ua是空氣的黏度，單位為Pa·s；ρp是金屬顆粒的密度，單位為kg/m3；dp是顆粒的直徑，單位為m；Cc是修正系數；v是空氣的速度，單位為m/s；g是自由落體加速度，單位為m/s2；ρa是空氣的密度，單位為kg/m3；Fs是顆粒受到的Saffman提升力。

流體連續方程：

(2)

顆粒相連續方程：

(3)

流體動量方程：

(4)

顆粒動量方程：

(5)

流體相組分方程：

(6)

式中，vi是氣流速度的各個分量；ρ是流體密度；p是靜壓；ρk是顆粒相表觀密度；Ys是S組分質量分數；Sk是單位體積中平均的物質源；vki是顆粒相對于混合物的速度滑移；wS是流體相中S組分反應率；μe是動力粘性系數：τrk是粘性應力；g是重力加速度；Fk,Mi是微元體上的體力；σY是應力張量；aS是系數；xi,xj是笛卡爾坐標，其中，i,j,k,r=1,2,3分別代表x,y,z方向。

1.2 氣固兩相流模型選擇

激光精密切割的吸塵模組吸收粉塵的過程是典型的運動氣流和射出的粉塵顆粒組成的湍流氣固兩相流，氣固兩相流按其尺度和屬性來分。連續介質模型將顆粒相看成是擬流體，這是目前在兩相流動研究領域中使用最廣泛的一種方法。在這種模型中，顆粒被處理為一相，也被稱為“雙流體模型”。在數學方程中，由于這類模型對流體、顆粒都采用歐拉坐標系，故其對應的數學方法為“歐拉法”。典型的數學模型有k-ε模型、顆粒動力學模型等。

2 仿真研究

2.1 模型建立

吸塵模組是氣-固兩相流動，固體顆粒的運動狀況在很大程度上受激光加工過程中氣體運動狀況的影響，所以分析其內部氣體的運動規律是揭示顆粒運動規律的前提條件。采用SpaceClaim進行模型簡化和體積抽取。抽取吸塵模組的內流道模型如圖1所示。

圖1 吸塵模組模型

將吸塵模組導入Meshing軟件進行網格劃分，根據吸塵模組的結構特點，采用四面體網格劃分法，網格尺寸設置為0.15 mm。為保證后續處理正常進行，在完成幾何造型和網格劃分后，要進行網格質量檢查，以防止在某些區域出現畸變過大的情況。網格劃分模型如圖2所示。

圖2 吸塵模組網格劃分

2.2 離散相湍流模型

計算模型采用離散相湍流模型，湍流的數值模擬采用Realizablek-ε模型。壁面采用無滑移邊界，按照不可壓縮流體定常流動進行計算。空氣密度為1.225 kg/m3。根據要求采用壓力邊界設置，將進氣管道作為壓力入口，排氣管道作為速度出口。設置入口為標壓入口、出口速度為24.6 m/s。反映湍流特性的控制方程Realizablek-ε如下：

(7)

流體為不可壓縮流體，空氣流動處于湍流狀態。在旋轉參考坐標系下，建立流動與傳熱穩態控制方程。由鋰電激光切割產生的粉塵主要為Cu、C、Al、Al2O3·H2O，相關參數見表1。

表1 粉塵物性參數

2.3 除塵模組多相流場數值模擬分析

速度分析是通過速度矢量圖來反映流場內部速度變化、旋渦、匯流等的有效手段，也是體現流場整體趨勢的常用方法。依據吸塵模組的結構，提取縱向截面的仿真信息進行分析研究。吸塵罩縱截面速度等值線、縱截面速度矢量分布云圖分別如圖3和圖4所示，縱截面速度矢量分布的局部放大圖如圖5所示。

圖3 縱截面速度等值線

圖4 縱截面速度矢量

圖5 縱截面速度矢量圖局部放大

由圖3～圖5可知，氣流顆粒由入口流入吸塵模組兩壁面后平均速度為45 m/s，最大速度為60 m/s。到達主桶壁后內部氣流為30 m/s，主桶壁右下角有渦旋，排氣口速度為25 m/s。進氣口速度較大，主桶壁有小渦旋。縱截面壓力等值線如圖6所示，氣流運動的軌跡分布云圖如圖7所示。

圖6 縱截面壓力等值線

圖7 氣流運動軌跡

由圖6和圖7可知，在激光精密切割過程中，氣流在吸塵模組進出口大氣壓差的作用下，由進氣口流入吸塵模組，由于體積突然減小，引起氣壓突變，進而快速上升，此后氣流到達主桶壁之后由于體積變化引起局部渦旋，最后到達出口。

由進氣壁兩邊進入的粉塵為大小質量不等的顆粒，為了揭示粉塵流經吸塵模組的運動規律，考慮氣相與顆粒的相互作用，顆粒形狀為球狀，顆粒入射速度與氣流速度一致。鋰電激光切割金屬片材產生的粉塵主要為Cu、C、Al、Al2O3·H2O，Cu、C、Al、Al2O3·H2O顆粒、全部顆粒的運動軌跡分別如圖8～圖12所示。

圖8 C顆粒運動軌跡

圖10 Cu顆粒運動軌跡

圖11 Al2O3·H2O顆粒運動軌跡

圖12 所有顆粒運動軌跡

由圖8～圖12可以看到顆粒的運動軌跡。吸塵罩內流場分布比較復雜，尤其在進出口區域處存在二次流及回流現象，在出口處與腔體之間存在渦流及回流區域，可以明顯看到其除塵效果。由仿真結果可知，不同質量的顆粒在吸塵模組內的運動軌跡不同，但總體趨勢相同。

3 結語

本文在綜合考慮粉塵顆粒特性、初始條件及邊界條件的情況下，應用Fluent軟件對激光切割設備的吸塵罩流場進行了仿真研究。結果表明，激光切割設備的吸塵模組具有體積小、除塵效率高等優點，對于其內流場及多相流理論的完善起到了積極意義，為吸塵器模組的研究發展提供了一定的依據。