懸浮式烘箱風嘴結構的優化設計及實驗驗證

武秋敏，焦鑫康，夏禹康，劉騰

懸浮式烘箱風嘴結構的優化設計及實驗驗證

武秋敏*，焦鑫康，夏禹康，劉騰

（西安理工大學 印刷包裝與數字媒體學院，西安 710048）

創新設計風嘴泄壓孔結構，優化風嘴和基材之間由于氣流撞擊而形成的渦流，導致基材表面風速溫度堆積不均勻的問題。采用Fluent軟件，建立單一的風嘴仿真模型，并利用RNG-湍流模型進行數值仿真模擬，分析風嘴有無泄壓孔結構對基材干燥特性的影響，并在7種泄壓孔設計結構中確定了相對最優方案，通過搭建實驗臺驗證最優風嘴泄壓孔結構設計的合理性。實驗研究結果表明，通過增設相對最優風嘴泄壓孔結構，基材表面渦流產生區域平均風速提高了3.32 m/s，均方差降低了0.86；平均溫度提高了24.76 K，均方差降低了5.96，表明設計有泄壓孔結構的風嘴能明顯改善由于渦流堆積造成的風速和溫度較低的現象。設計泄壓孔結構的風嘴在兩狹縫之間區域的風速和溫度均有明顯提升，渦流區域的壓力產生明顯下降，改善了風嘴兩狹縫之間由漩渦引起的風速、溫度較低現象。

懸浮式烘箱；熱風干燥；風嘴優化設計；實驗驗證

烘箱是高精密印刷涂布設備的重要組成部分。印刷涂布完成的基材經烘箱熱風干燥后才最終完成其生產過程。傳統的烘箱結構是向印刷涂布后的基材表面吹以熱風進行干燥，基材的背面緊貼支撐輥向前傳輸。當熱風作用于相鄰兩支撐輥之間時，易造成基材的彎曲變形，且無法滿足雙面涂布干燥需求。為解決上述問題，懸浮式烘箱逐漸被應用到涂布設備中。

懸浮式干燥技術是由美國ASI（Advance Systems Inc）創始人Roy Downhawn在1970年提出的，80年代美國印刷業的繁榮大大推動了懸浮式烘箱技術的發展[1]。國內外學者開始應用數值模擬計算的方法對懸浮式烘箱展開研究。Yuan等[2]利用構建CFD仿真模型，分析了懸浮式烘箱內部基材移動速度以及溫度對基材干燥性能的影響。Chang等[3]則關注了基材在上下風嘴之間由于張力波動導致基材與風嘴之間的距離發生變化的現象。Moretti[4]通過建立偏微分控制方程來確定基材的張力效應。李徐佳等[5-7]對鋰電池極片烘箱的流場特性進行研究，并建立了3種典型風嘴的數值模型，分別研究其均流特性以及阻流特性。程千駒等[8]通過在風嘴上設計排出泄壓孔的方式，改善干燥過程中由于射流壓強分布不均導致的極片烘干質量不良問題。李青華等[9-10]研究了不同箱體結構對風嘴出風均勻性的影響。丁俊健[11]通過研究確定了導流板在風嘴以及箱體內部有助于改善風速均勻性。Huang等[12-14]通過研究懸浮式噴嘴的流場特性，對鋰離子電池懸浮式烘箱進行結構優化。綜上所述，國內外學者對于懸浮式烘箱的研究，多為采用數值模擬的方法對懸浮式烘箱箱體結構、風嘴結構進行仿真和優化設計，且多以提升風嘴出風速度作為優化最終目標，但均未考慮優化后的結構對基材表面干燥的實際影響效果。

因此，本文建立風嘴到基材之間的熱風干燥模型，并利用數值仿真的方法研究風嘴泄壓孔結構對基材干燥性能的影響，并確定最優風嘴泄壓孔結構。

1 模型的建立

1.1 懸浮式烘箱的工作原理及結構分析

懸浮式烘箱在進行基材干燥時，熱風從進風口進入風室并在其內部擴散，經勻風板勻流后從風嘴狹縫出口吹出，沖擊并干燥運動的基材。烘箱內部沒有支撐輥，基材由上下交錯的風嘴吹出的熱風進行懸浮支撐，其在烘箱內部以類似正弦波的形式向前運動。本文根據企業提供的數據建立了懸浮式烘箱的三維模型，并對模型進行了簡化。選取單個風嘴及其兩側基材作為研究對象，且對基材的寬幅進行了縮減。烘箱結構及簡化模型如圖1所示。

1.2 流體域建立及網格劃分

本文利用Fluent軟件進行仿真計算，首先對上述簡化模型進行流體域建模，風嘴設計整體長度為1 200 mm，風嘴與基材之間的距離為5 mm，風嘴出風口狹縫寬度為4 mm。設置風嘴入口風速為5 m/s，熱風溫度為90 ℃，基材移動速為20 m/min，且基材設置為吸熱體。采用速度入口和壓力出口作為邊界條件，如圖2所示。

圖1 懸浮式烘箱及簡化模型

圖2 邊界條件

建立好流體域模型后，利用Fluent meshing對模型進行網格劃分，對入口以及基材表面進行網格加密，最終共劃分2 295 131個網格。對劃分好的網格進行質量檢查，其單元質量接近于1，偏斜比小于0.5，且未出現負體積網格，因此可導入Fluent進行計算。

1.3 流體仿真分析

在參考面的中心位置處，沿著基材移動方向進行數據提取，得到風速與溫度分布曲線，如圖4所示。令參考平面中心處為坐標原點，基材移動的方向為軸正方向，可將數據提取位置劃分為3個區域，其中區域1（?0.15～0.07 m）與區域3（0.07～0.15 m）所在位置包含了風嘴狹縫以及向外延伸的部分，區域2（?0.07～0.07 m）則包含了兩狹縫之間漩渦堆積的區域。由圖4中可以看出，黑色速度曲線與紅色溫度曲線的峰值皆處在狹縫所在的區域1與區域3之中。而在區域2之中，由于受漩渦堆積的影響，無論是速度還是溫度曲線，均有大幅度下降趨勢。

圖3 流場模型跡線

圖4 基材表面風速與溫度分布曲線

對圖4中數據進行量化，在區域1與區域3分別提取速度與溫度的峰值，在區域2中對速度和溫度的平均值以及均方差進行計算。由計算結果可知，在區域1與區域3中的風速峰值分別為24.12 m/s和24.79 m/s，但區域2中的平均風速僅有1.59 m/s，且均方差為3.89，說明區域2中絕大部分風速都與平均風速接近，與峰值風速差距過大。同理，區域1與區域3中峰值溫度分別為361.63 K和360.57 K，區域2中平均溫度僅有321.19 K，且均方差較大，說明該部分溫度數值波動較大，且同樣存在與峰值溫度差值過大的問題。

經上述分析可知，在基材表面的漩渦堆積會對基材的換熱產生不良影響。

2 風嘴優化設計

2.1 泄壓孔設計原理

為了改善風嘴底部存在的渦流問題，通過在風嘴底部設計泄壓孔使得部分氣流由狹縫噴出后通過泄壓孔進入泄壓腔內部，從而減小漩渦對基材表面風速以及溫度的影響，提高基材干燥效率。圖5所示為風嘴結構優化前后對比。

圖5 優化前后風嘴結構對比

2.2 泄壓孔排列方式及尺寸確定

在進行泄壓孔結構設計時，設計了不同規格的泄壓孔作為研究對象。如圖6所示，泄壓孔的孔徑，橫向孔距1，縱向孔距2以及泄壓孔的列數有所差別。

圖6 泄壓孔排列尺寸

將未進行優化的結構作為對照組，共設計出7種方案進行對比研究，這7種方案的尺寸設計如表1所示。

表1 優化方案尺寸規格

Tab.1 Dimensional specifications for optimized schemes

2.3 仿真分析

2.3.1 流場分析

圖7所示為2種不同風嘴結構的基材表面流場分布云圖。圖7a、7b和7c分別是沒有設計風嘴泄壓孔結構時，基材表面的溫度和壓力的分布情況。由圖中色塊的分布可以看出，基材表面的風速與溫度會在兩風嘴狹縫之間的區域出現大范圍的低值區域。由壓力分布可以看出，風嘴內側中心區域的壓力較高，而上下兩側的邊緣區域的壓力較低。圖7d、7e和7f所示為有風嘴泄壓孔結構時，基材表面的流場分布。與圖7a、7b和7c對比可以看出，風嘴兩狹縫之間區域的風速和溫度會有明顯提升，在溫度分布中，高溫分布的區域明顯增加；在風速分布上可以看出，基材表面的峰值風速會有所降低。由壓力分布可以看出，通過設計泄壓孔結構可以使得中心區域的壓力產生明顯下降。

2.3.2 數據分析

對優化方案進行與優化前相同的數據處理，優化后的風速以及溫度量化數據如表2、表3所示。由表2和表3中數據可以看出，增加泄壓孔結構后的風嘴，在區域2中無論是風速還是溫度均有一定程度的提高。

圖7 基材表面流場分布云圖

表2 優化方案獲取的風速

Tab.2 Wind speed obtained through optimized scheme

表3 優化方案獲取的溫度

Tab.3 Temperature obtained through optimized scheme

在上述方案中，方案1、2、4的峰值風速的降低程度明顯，過低的風速不利于基材的干燥。如圖8a所示，方案3、5、6、7在區域1和區域3中的峰值風速相近且與優化前相比降低程度較低，而在區域2中，方案6的平均風速最高為4.91 m/s，均方差則最低，僅為3.03。通過與未優化結構的量化數據進行對比，方案6在區域2中風速提升效果尤為明顯，且更加穩定。結合表3以及圖8b中的溫度變化數據可知，增加泄壓孔結構的風嘴對區域1與區域3中峰值溫度數值均相近，而在區域2中的平均溫度也有了明顯的提升，其中方案6的平均溫度較高，且均方差較低，可以認為該方案的改善結果較為理想。綜上所述，方案6的優化結果最好，可作為相對最優方案。

圖8 優化前后基材表面風速（a）及溫度（b）數據對比

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺設計方案

本實驗采用5 mm厚透明亞克力板材自制實驗箱體進行風速以及溫度的測量，將風嘴按照與仿真模型1∶2的比例等比縮小，箱體結構則根據實驗實際情況進行調整。實驗原理如圖9所示。

根據上述實驗方案利用5 mm厚透明亞克力板材搭建烘箱實驗箱體如圖10a所示，箱體內部的基材在干燥時的狀態如圖10b所示。

圖9 實驗箱測量原理

圖10 實驗臺搭建

實驗測試時，將熱風溫度設定為45 ℃，待箱體內氣流溫度穩定后，進行數據的測量。實驗時使用的風嘴如圖11所示，其中圖11b中風嘴的泄壓孔尺寸按照選定的相對最優泄壓孔尺寸進行等比縮放。

圖11 風嘴模型

3.2 風嘴泄壓孔結構干燥效果驗證

對測量的風嘴進行編號，其中未開泄壓孔的2個風嘴分別為風嘴1和風嘴2，開泄壓孔的風嘴分別為風嘴3和風嘴4。對基材表面兩側狹縫正下方區域，以及兩狹縫中間區域進行溫度和風速數據的測量，每一個風嘴在一側測量區域采集8組數據，即每一個風嘴共采集24組數據，實際測量數據如表4所示。

如表4中數據所示，風嘴1與風嘴2左右兩側狹縫區域風速的最高值為15.57 m/s，最低值為15.26 m/s，兩狹縫之間區域風速最高值為2.87 m/s。在設計泄壓孔后，左右兩側狹縫風速最高值與最低值分別為14.92 m/s和14.31 m/s，中間區域風速最高值為3.43 m/s，整體分布滿足前文所述中風速分布的趨勢。數據表明，開泄壓孔后的風速變化也與前文分析一致。在溫度方面，在左右狹縫區域，4個風嘴狹縫區域溫度最高值為42.09 ℃，最低值為41.42 ℃，相差僅為0.67 ℃。總體來看，增設泄壓孔結構后，兩側狹縫出口的熱風溫度相差不大。而在中間區域，風嘴1與風嘴2溫度的平均值為38.56 ℃，設計有泄壓孔的風嘴中間區域平均溫度為40.60 ℃，差值為2.04 ℃，變化趨勢與前文分析相同，即增設泄壓孔后風嘴狹縫中間區域的溫度會有所上升。綜合分析，增加了泄壓孔結構的風嘴對基材的干燥效果更加理想。

表4 實驗測量數據

Tab.4 Experimental measurement data

4 結語

本文研究了懸浮式烘箱風嘴泄壓孔結構對基材干燥性能的影響，研究結論如下：

1）本文根據企業提供的數據建立了懸浮式烘箱干燥熱風流動的流場仿真模型，經計算分析，發現高速的熱風射流進入流體域，撞擊基材表面后分別向入口兩側運動，兩股氣流相撞互相擾動，導致在2個狹縫之間會形成許多漩渦，從而對基材表面的風速以及溫度分布產生不良影響。

2）針對基材表面存在的風速以及溫度分布不均勻的問題，在風嘴上創新性設計了泄壓孔結構，并研究確定了泄壓孔的最優排列方式和尺寸，計算結果表明，優化后的風嘴結構能夠明顯改善由于基材表面復雜漩渦堆積而造成的干燥性能下降的問題，基材的整體干燥性能明顯提升。

3）自行設計搭建了含泄壓孔風嘴結構的懸浮式烘箱，對設計的泄壓孔結構及仿真計算結果進行了實驗驗證。結果表明，設計有泄壓孔結構的風嘴能明顯改善由于漩渦堆積造成的風速和溫度較低的現象，驗證了設計及仿真結果的正確性。

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Optimized Design and Experimental Verification of Suspended Oven Nozzle Structure

WU Qiumin*, JIAO Xinkang, XIA Yukang, LIU Teng

(Faculty of Printing, Packing and Digital Media Technology, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The work aims to innovatively design the structure of the nozzle pressure relief hole to optimize the vortex formed between the nozzle and the substrate due to airflow impingement which leads to the problem of non-uniformity of wind speed and temperature buildup on the surface of the substrate. A single nozzle simulation model was established by Fluent, and numerical simulation was carried out by the turbulence model to analyze the effect of the nozzle with or without pressure relief hole structure on the drying characteristics of the substrate. Meanwhile, the relative optimal scheme was determined among seven designed structures of pressure relief hole, and the reasonableness of the optimal structure design of nozzle pressure relief hole was verified by setting up an experimental bench. The experimental results showed that by adding the relatively optimal nozzle pressure relief hole structure, the average wind speed in the vortex generating area on the surface of the substrate increased by 3.32 m/s, with the mean square deviation decreasing by 0.86, and the average temperature increased by 24.76 K, with the mean square deviation decreasing by 5.96, which indicated that the nozzle with the design of the relief hole structure could significantly improve the phenomena of lower wind speed and temperature due to the buildup of the vortex flow. The nozzle designed with pressure relief hole has a significant increase in wind speed and temperature in the area between the two slits, and the pressure generation in the vortex area decreases significantly, which improves the phenomena of lower wind speed and temperature caused by vortex between the two slits of the nozzle.

suspended oven; hot air drying;optimized design of nozzle; experimental verification

TB482.2

A

1001-3563(2024)09-0150-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.09.019

2023-11-20

陜西省自然科學基礎研究計劃重點項目（2022JZ-30）；陜西省教育廳重點科研計劃項目（20JY054）；國家自然科學基金（52075435）