底刀輪流場的FLUENT軟件仿真分析

李嘉維+尹廣+葉良+陳昶陽

摘 要：為了研究紙張分條機(jī)中底刀輪工作時(shí)的流場狀況，首先利用ANSYS Workbench建模，然后再利用Fluent計(jì)算模擬，最后再CFD-Post中查看結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其底刀輪工作時(shí)周圍的“風(fēng)”產(chǎn)生的原因是多方面的。

關(guān)鍵詞：分條機(jī)；底刀輪；流場分析；ANSYS Fluent

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.204

0 引言

分條機(jī)采用的是分條切割，可將產(chǎn)品同時(shí)分切成多條，其生產(chǎn)效率非常高。與傳統(tǒng)的分離方式相比而言，盡管有些昂貴并且安裝不便，但是它的切割速率非常高，切割邊緣還能夠達(dá)到最好的質(zhì)量，不會有毛邊和鋸齒。

分條切割機(jī)在工作時(shí)，由上下兩個(gè)切割的刀輪相互接觸，擠壓原料，使之在刀輪口產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而切斷原料。如同剪刀一樣，兩個(gè)刀輪的刀口處同樣很鋒利。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中會發(fā)現(xiàn)，刀口附近在刀輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，周圍會產(chǎn)生明顯的“風(fēng)”，而“風(fēng)”會影響原料的剪切，使剪切后的邊緣呈現(xiàn)毛邊或者鋸齒狀，甚至?xí)a(chǎn)生歪斜，使產(chǎn)品報(bào)廢。為了避免“風(fēng)”的出現(xiàn)，研究底刀輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的周圍流場情況是極具意義的。

1 底刀輪周圍流場建模

由于底刀輪形狀結(jié)構(gòu)非常簡單，無需對其幾何形狀做任何的相似簡化。但是在流場搭建過程中，要注意流場區(qū)域的大小，不能過小，過小會導(dǎo)致觀察到的結(jié)果與真實(shí)情況有出入，其次邊界形狀也要設(shè)計(jì)合理。本文中的底刀輪的運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，故流場采用圓柱形。由于本文只做流場的模擬分析，不涉及零件的固體應(yīng)變分析，所以刀輪的零件部分在模型中需要挖去。同時(shí)，又因?yàn)榱鲌鰠^(qū)域較大，對計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)較大，為了減小計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，采用周期邊界的方法減少流場模型，本文采用1/4區(qū)域進(jìn)行建模。

2 模型網(wǎng)格劃分和計(jì)算參數(shù)設(shè)定

在完成幾何建模后，退出Geometry，進(jìn)入Mesh功能。由于流場為三維狀態(tài)，故網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，因形狀較為規(guī)則，只有部分區(qū)域網(wǎng)格劃分細(xì)密，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)282069個(gè)。

導(dǎo)入Fluent后，首先進(jìn)行基本設(shè)置，計(jì)算的流體模型選用k-omega中的SST模型。只所以選用SST，是由于底刀輪在工作時(shí)周圍僅有空氣這一中流體，且空氣的密度小，粘度低，而刀輪所做的運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于刀輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故采用相對位移原理，將流場設(shè)置為旋轉(zhuǎn)流場，刀輪不動，轉(zhuǎn)速為3200rpm，周期邊界屬性設(shè)置為周期。調(diào)整殘值監(jiān)測中的absolute criteria數(shù)值為0.0001，然后開始計(jì)算。

3 流場分析結(jié)果對比

計(jì)算結(jié)束后，退出Fluent設(shè)置，進(jìn)入CFD-Post查看結(jié)果，在刀刃處和輪緣處分別做一個(gè)平面，在平面上顯示壓力結(jié)果圖。

從結(jié)果圖中可以看出，在刀口附近的輪緣處有范圍較大的壓力變化，而在刀刃處壓力變化范圍較小。這說明刀輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的壓力變化有可能是因?yàn)榈度薪Y(jié)構(gòu)的凸起，凸起的刀刃與輪緣的直徑數(shù)值不同，在旋轉(zhuǎn)時(shí)外圍線速度不一樣，可能導(dǎo)致周圍空氣流場產(chǎn)生風(fēng)。

當(dāng)然，以上結(jié)論只是一個(gè)推測，并不能說明風(fēng)的真正來源，為了驗(yàn)證以上結(jié)論，還需要做一個(gè)轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

為了檢驗(yàn)以上結(jié)論，本次模擬依舊采用Fluent軟件，流體、計(jì)算模型等參數(shù)不變，只改變流場的幾何模型。新建集合模型，以底刀輪的刀刃面為轉(zhuǎn)盤，設(shè)置單側(cè)的流場，流場形狀為圓柱形，網(wǎng)格數(shù)量為291411。然后開始計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

在volume velocity圖中可以看出，在轉(zhuǎn)盤附近處有明顯的速度變化，但是變化范圍比較小。從velocity streamline中可以看出，氣流在轉(zhuǎn)盤外圍形成漩渦狀。這說明，底刀輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀刃外側(cè)面也會有氣流產(chǎn)生，該氣流也可能是產(chǎn)生風(fēng)的一個(gè)原因。

4 結(jié)論

在模擬試驗(yàn)之前，并不了解風(fēng)的產(chǎn)生原因，猜測是單一原因造成。在模擬實(shí)驗(yàn)之后，雖然證實(shí)了猜測的原因，但是同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了其他原因，所以產(chǎn)生風(fēng)的原因不唯一，既有刀刃與輪緣的直徑差距導(dǎo)致外圍線速度不同造成風(fēng)，也有刀刃側(cè)面與空氣接觸的部分因高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生風(fēng)，是否還有其他原因產(chǎn)生風(fēng)，還有待進(jìn)一步的模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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