車輛涂裝工藝烘干室氣幕性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張世中，岳晨，何緯峰，童樂

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

汽車工業(yè)能耗占工業(yè)能耗比重較大，而涂裝烘干環(huán)節(jié)能耗占涂裝生產(chǎn)環(huán)節(jié)能耗的70%[1-2]。實(shí)現(xiàn)烘干環(huán)節(jié)節(jié)能減排，是降低汽車生產(chǎn)能耗的重要方向。烘干室出入口常處于敞開狀態(tài)，室內(nèi)外存在巨大溫差，易引起熱質(zhì)交換，使得烘干室內(nèi)部高溫氣體上浮外溢和外部冷流下沉侵入，出入口布置氣幕是降低烘干室能耗的有效手段，但常用的上送風(fēng)式氣幕仍存在空氣泄漏和卷吸問題[3]。

國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。劉敬輝等[4]對冷藏車氣幕保溫性能研究發(fā)現(xiàn)，冷藏車門處設(shè)置氣幕可減少冷藏車開門卸貨過程時(shí)造成的能量損失，車內(nèi)平均溫度的上升速率明顯降低；何媛[5]對冷庫氣幕性能數(shù)值研究結(jié)果表明，氣幕送風(fēng)速度使得氣幕效率存在最佳值；CHEN Y G[6]對循環(huán)制冷式氣幕隔熱能力數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，由于外部壓力且趨于流向柜內(nèi)，氣幕射流初始動量必須足夠大，才能確保維持整個(gè)風(fēng)幕的壓差；FRANK D等[7]對氣幕反向浮力的影響研究發(fā)現(xiàn)，若氣幕加熱到臨界溫度以上，其有效性會降低，加熱的空風(fēng)幕可能會降低能源效率；賈進(jìn)彪、邢鵬成等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴送風(fēng)速度隨氣體壓力的增大而增加，隨空氣幕噴口截面積增大，噴孔風(fēng)速呈現(xiàn)增大的趨勢，而風(fēng)速無效區(qū)長度也呈現(xiàn)不同程度的增大；噴嘴呈收縮狀時(shí)射流性較佳。XIAO D等人[10]對小流量氣幕數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增加送風(fēng)口截面，可減小氣幕發(fā)生器沿噴嘴長度方向靜壓差，提高氣幕均勻性；劉曉菲等[11]對冷藏室氣幕運(yùn)行效率、送風(fēng)角度和流速等參數(shù)之間的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，氣幕射流速度和角度使風(fēng)幕存在最佳值使其效率較佳；徐正本等[12]對氣幕性能數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)速度是關(guān)鍵影響參數(shù)，風(fēng)速過小不能形成完整的氣流；風(fēng)速過大增加能耗，卷吸量增大。

針對某企業(yè)采用上送式氣幕時(shí)烘干室內(nèi)部高溫氣體泄漏嚴(yán)重問題[13-15]，鑒于烘干作業(yè)時(shí)間為1.5 h～2 h，為減少因烘干室出入口敞開時(shí)內(nèi)部高溫區(qū)氣體外溢量，降低能耗，本文主要研究氣幕結(jié)構(gòu)布局，提出適用于烘干室的大尺寸、大溫差的“三側(cè)式”改進(jìn)型氣幕方案，并數(shù)值模擬研究不同工況下改進(jìn)型氣幕密封性能，分析其對烘干內(nèi)部上浮外溢高溫氣體和烘干室外部下沉侵入冷流的阻擋效果，得出改進(jìn)型氣幕最佳性能下的運(yùn)行工況，用于指導(dǎo)現(xiàn)有烘干室氣幕的改進(jìn)和優(yōu)化。

1 模型簡介和數(shù)值計(jì)算方法

1.1 模型簡介

圖1為車輛涂裝工藝烘干室空氣幕三維模型，圖2為其二維模型示意圖，模型包括進(jìn)口延長段、涂裝烘干室和出口延長段。車輛涂裝工藝烘干室氣幕存在熱氣流外溢和冷氣流侵入現(xiàn)象。鑒于烘干室常處于敞開狀態(tài)，當(dāng)烘干室入口無風(fēng)幕時(shí)，因烘干室內(nèi)外溫度差作用，其內(nèi)部高溫氣體外溢，造成進(jìn)口延長段溫度上升。為表征烘干室氣幕密封和節(jié)能特性，自烘干室進(jìn)口延長段沿其左側(cè)進(jìn)口方向，每間隔0.5 m，取與y軸垂直的測溫截面，分別取測溫截面-1至測溫截面-8，通過對比涂裝工藝烘干室內(nèi)外溫差(即測溫截面-8與截面-2平均溫度之差)，分析不同工況下烘干室氣幕密封節(jié)能特性。表1為車輛涂裝工藝烘干室尺寸參數(shù)。

圖1 烘干室三維模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 涂裝工藝烘干室二維模型結(jié)構(gòu)

表1 車輛涂裝工藝烘干室尺寸參數(shù) 單位：m

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

鑒于雷諾時(shí)均模擬(RNS)具有計(jì)算量較小且計(jì)算結(jié)果可靠等特點(diǎn)，采用雷諾時(shí)均模擬法，假設(shè)烘干室內(nèi)流動為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動。數(shù)值求解中，基于全尺寸物理模型，由連續(xù)方程、動量方程，采用Boussinesq模型考慮浮升力的影響，對氣幕裝置射流產(chǎn)生的三維湍流流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

k-ε方程：

ρ2φ2-ρ1φ1+div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ

(5)

式中：x、y、z是幾何方向；φ是通用變量；S是廣義擴(kuò)散系數(shù)。

通過分析不同工況下涂裝工藝烘干室內(nèi)部溫度(溫度監(jiān)測點(diǎn)-8)和進(jìn)口延長段溫度(溫度監(jiān)測點(diǎn)-2)差值，分析氣幕阻隔密封效果，對比不同工況下氣幕密封性能，具體計(jì)算公式為

ΔT=T8-T2。

式中：T2為烘干室進(jìn)口延長段溫度值，K；T8為烘干室內(nèi)部溫度值，K。

1.3 邊界條件及求解設(shè)置

采用ANSYS CFX工程軟件，基于涂裝工藝烘干室，建立全尺寸物理模型，涂裝烘干室外壁為絕熱壁面，內(nèi)部溫度為180 ℃，外界環(huán)境溫度為25 ℃；為提升計(jì)算的準(zhǔn)確度，湍流方程殘差低于10-4。數(shù)值仿真中模型邊界條件具體設(shè)置如表2所示。

表2 涂裝烘干室CFD邊界設(shè)置條件

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性及模型驗(yàn)證

為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源和提升計(jì)算準(zhǔn)確性及效率，對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。氣幕送風(fēng)速度取10 m/s，射流角度取35°，網(wǎng)格數(shù)分別為165×104、226×104、294×104和437×104，對比分析進(jìn)口延長段測溫截面-1平均溫度值。由圖3可知，網(wǎng)格數(shù)為294×104和437×104時(shí)，入口段平均溫度相差約0.2%。綜合考慮計(jì)算效率和正確性兩個(gè)因素，網(wǎng)格采用294×104計(jì)算量。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 結(jié)果分析

2.1 有車工況下上送風(fēng)式/改進(jìn)型氣幕性能對比

為指導(dǎo)涂裝工藝烘干室氣幕實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型氣幕。在有車工況下，采用數(shù)值仿真法，對比分析上送風(fēng)式氣幕和改進(jìn)型氣幕性能，當(dāng)送風(fēng)速度取12 m/s、送風(fēng)角度取45°時(shí)，結(jié)果如圖4-圖5所示。

圖4 上送風(fēng)式氣幕流場和溫度云圖

圖5 改進(jìn)型氣幕流場和溫度云圖

由圖4和圖5可知，上送風(fēng)式氣幕噴射流體沖擊車輛頂部，造成氣體分流，部分分流氣體流向進(jìn)口延長段，致使溫度環(huán)境惡化；上送風(fēng)口射流無法到達(dá)烘干室底部，而車身底部與地面之間存在距離，無法實(shí)現(xiàn)對烘干室外部下沉侵入冷流和烘干室內(nèi)部上浮外溢高溫氣體的阻擋，致使氣幕密封效果較差，而改進(jìn)型氣幕可利用側(cè)送風(fēng)口射流阻擋烘干室外部下沉侵入冷流。

因此，車輛涂裝工藝烘干室采用改進(jìn)型氣幕可較好地實(shí)現(xiàn)對烘干室外部下沉侵入冷流和內(nèi)部上浮外溢高溫氣體的阻擋，降低烘干室內(nèi)溫度衰減速率，減少烘干資源能量損失，故改進(jìn)型氣幕性能較佳。

2.2 改進(jìn)型氣幕性能分析

1)改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口送風(fēng)角度及速度影響

采用數(shù)值仿真法，分析車輛涂裝工藝烘干室改進(jìn)型氣幕特性，分析送風(fēng)角度對改進(jìn)型氣幕特性的影響。預(yù)先給定上送風(fēng)口和側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)角度均為45°，側(cè)送風(fēng)口速度為5 m/s，而上送風(fēng)口速度分別取6 m/s和16 m/s，數(shù)值仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口送風(fēng)速度6 m/s和16 m/s時(shí)流場和溫度云圖

由圖6可知，當(dāng)送風(fēng)速度取6 m/s時(shí)，氣幕射流未能形成完整氣幕墻，即速度過小無法發(fā)揮密封作用；當(dāng)送風(fēng)速度16 m/s時(shí)，存在氣幕射流沖擊烘干室底部現(xiàn)象，射流氣體分流，且部分分流氣體流向烘干室進(jìn)口延長段，即速度取16 m/s，則速度過大。

為分析改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口送風(fēng)角度的影響，上送風(fēng)口送風(fēng)速度先取中間值11 m/s，分析上送風(fēng)口不同送風(fēng)角度下氣幕性能，角度取30°～50°。由圖7和圖8可知，在距離入口不同位置處室內(nèi)外溫差隨送風(fēng)角度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，存在最佳送風(fēng)角度，最佳角度為35°，相比烘干室內(nèi)溫度，進(jìn)口延長段溫度降低約69 ℃；當(dāng)送風(fēng)角度<35°時(shí)，存在氣幕射流沖擊烘干室底部現(xiàn)象，若送風(fēng)角度>35°，特別是當(dāng)送風(fēng)角度>45°時(shí)，存在空氣幕射流被破壞現(xiàn)象，故改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口送風(fēng)角度取35°～40°較優(yōu)。

圖7 改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口不同送風(fēng)角度下烘干室溫度分布

圖8 改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口不同送風(fēng)角度下流場和溫度云圖

為分析改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口送風(fēng)速度的影響，基于上述分析送風(fēng)角度取35°時(shí)，改變送風(fēng)速度，送風(fēng)速度取7 m/s～11 m/s。由圖9和圖10可知，在距離入口不同位置處，室內(nèi)外溫差隨送風(fēng)速度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，存在最佳送風(fēng)速度，最佳速度為9 m/s，此時(shí)相比烘干室內(nèi)溫度，進(jìn)口延長段溫度降低約80 ℃；當(dāng)送風(fēng)速度<9 m/s時(shí)，氣幕射流速度過小，未能形成氣幕墻，即泄漏嚴(yán)重，密封效果較差；若送風(fēng)速度>10 m/s，存在氣幕射流沖擊烘干室底部現(xiàn)象，氣幕資源分流，部分分流氣體流向進(jìn)口延長段，造成烘干室溫度環(huán)境惡化，且氣幕資源利用率低，能耗較大。因此，改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口最佳送風(fēng)角度為35°，送風(fēng)速度為9 m/s。

圖9 改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口不同送風(fēng)速度下烘干室溫度分布

圖10 改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口不同送風(fēng)速度下流場和溫度云圖

2)改進(jìn)型氣幕側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)角度及速度影響

為分析改進(jìn)型氣幕側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)角度對改進(jìn)型氣幕特性影響，側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)速度取4 m/s，送風(fēng)角度為25°～40°。由圖11可知，在距離入口不同位置處室內(nèi)外溫差隨著送風(fēng)角度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；側(cè)送風(fēng)口角度取30°～35°時(shí)，相比烘干室內(nèi)溫度，進(jìn)口延長段溫度降低約84 ℃，氣幕性能優(yōu)于其他送風(fēng)角度工況。

圖11 改進(jìn)型氣幕側(cè)送風(fēng)口不同送風(fēng)角度下烘干室溫度分布

為分析改進(jìn)型氣幕側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)速度影響，基于上述分析送風(fēng)角度取35°時(shí)，對比分析不同送風(fēng)速度下烘干室溫度分布，速度分別取2 m/s～5 m/s。由圖12和圖13可知，側(cè)送風(fēng)口最佳速度為3 m/s，氣幕性能優(yōu)于其他速度工況；在最佳工況下，相比烘干室內(nèi)溫度，改進(jìn)型氣幕進(jìn)口延長段溫度降低約97 ℃，此時(shí)涂裝工藝烘干室改進(jìn)型氣幕性能最佳。

圖12 改進(jìn)型氣幕側(cè)送風(fēng)口不同送風(fēng)速度下烘干室溫度分布

圖13 改進(jìn)型氣幕側(cè)送風(fēng)口不同送風(fēng)速度下流場和溫度云圖

2.3 烘干工件對烘干室改進(jìn)型氣幕密封性能的影響

當(dāng)烘干室改進(jìn)型氣幕處于最佳工況時(shí)，數(shù)值模擬分析有車工況和無車工況下改進(jìn)型氣幕性能。由圖14可知，相比無車工況，有車工況下烘干工件處于氣幕噴口時(shí)，氣幕射流沖擊烘干工件無法噴射至烘干室底部，烘干外部冷流下沉侵入，烘干室內(nèi)溫度衰減速率下降，且進(jìn)口延長段溫度升高36 ℃。因此，在烘干工件的烘干過程中，烘干完成的工件由烘干出口送出，而待烘干工件停留階段置于進(jìn)口延長段前段，以減少烘干工件對氣幕密封性的影響。

圖14 無/有烘干工件下烘干室橫向截面溫度云圖

3 結(jié)語

1)相比上送風(fēng)式氣幕，改進(jìn)型氣幕不僅可利用上送風(fēng)口射流阻擋烘干室內(nèi)上浮外溢的高溫氣體，還可利用側(cè)送風(fēng)口射流阻擋烘干室外部下沉侵入冷流，故改進(jìn)型氣幕密封性能較優(yōu)；

2)若送風(fēng)速度過小無法形成完整氣幕墻來實(shí)現(xiàn)密封；若送風(fēng)速度較大存在氣幕射流沖擊烘干室底部現(xiàn)象，高溫氣體分流并流向進(jìn)口延長段，造成溫度環(huán)境惡化，使得氣幕密封性差且能耗大；改進(jìn)型氣幕上送風(fēng)口合理送風(fēng)角度為35°～40°，速度為9 m/s，側(cè)送風(fēng)口合理送風(fēng)速度為3 m/s，角度為30°～35°。此時(shí)相比烘干室內(nèi)部溫度，進(jìn)口延長段溫度降低約97 ℃，改進(jìn)型幕密封性能較佳，密封效率為77.8%；

3)當(dāng)烘干工件處于氣幕噴口時(shí)，氣幕射流沖擊烘干工件而無法形成完整氣幕，影響氣幕阻隔密封效果，相比無烘干工件時(shí)進(jìn)口延長段溫度，有烘干工件時(shí)進(jìn)口延長段溫度升高36 ℃，烘干室能耗增加，故烘干作業(yè)過程中烘干完成的工件由烘干出口送出，而待烘干工件應(yīng)置于進(jìn)口延長段前段；

4)建議烘干室在改進(jìn)型氣幕實(shí)際應(yīng)用中縮短烘干工件出入時(shí)間，采用智能調(diào)節(jié)手段調(diào)節(jié)送風(fēng)速度和角度，實(shí)現(xiàn)烘干室氣幕密封性能的進(jìn)一步改善。