不同吹風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)有限元比較分析與研究

呂煒帥，李欣，邊慧光

(1.天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350;2.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

擠出聯(lián)動生產(chǎn)線廣泛用于輪胎胎面、胎側(cè)、內(nèi)胎等復(fù)雜斷面形狀制品與半制品的生產(chǎn)[1]。聯(lián)動冷卻線由空冷、浸泡水冷、噴淋水冷等形式。吹風(fēng)裝置主要用于有效解決擠出機擠出的條狀制品經(jīng)水槽冷卻后表面帶有的殘留水分的去除問題，實際生產(chǎn)中需要在最終半成品收取之前對其進行吹干，以免影響后續(xù)工藝生產(chǎn)[2]。由于制品斷面不規(guī)則，吹風(fēng)量大小變化等原因，影響了實際生產(chǎn)中制品的吹干效果[3]。吹風(fēng)裝置在制品吹干過程中會產(chǎn)生不同的流場分布，而且流場復(fù)雜，無法手工計算[4]。如何更好的選擇合理化的吹風(fēng)裝置，獲得理想的流場速度分布，并對相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)快速吹干制品，成為技術(shù)難題。本文利用ANSYS-FLUENT軟件討論將CFD引入到吹風(fēng)裝置的設(shè)計中，由于CFD可以準(zhǔn)確地給出流體流動的細節(jié)，因而不僅可以預(yù)測吹風(fēng)裝置的性能，而且容易從對流場的定量分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在的問題。通過對四種吹風(fēng)裝置內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，得到氣流在不同吹風(fēng)裝置中的流動規(guī)律，進而明確不同吹風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)特點，為后續(xù)合理化選擇應(yīng)用及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型

本算例的研究對象選取應(yīng)用在復(fù)合擠出聯(lián)動線中輥道寬度為1 000 mm的四種吹風(fēng)裝置，采用Solidworks建立吹風(fēng)裝置內(nèi)部流體的三維流體模型。其具體結(jié)構(gòu)信息如表1。

關(guān)于不同吹風(fēng)體結(jié)構(gòu)說明：

吹風(fēng)體1和吹風(fēng)體2通過中間導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)分流，出口氣流經(jīng)矩形出口流出（詳見表2）。其中吹風(fēng)體1與吹風(fēng)體2入口方向不同。吹風(fēng)體3和吹風(fēng)體4整體結(jié)構(gòu)一致，但出口流道結(jié)構(gòu)不同，吹風(fēng)體3出口為圓孔形，吹風(fēng)體4出口為傾斜矩形。

2 計算方法

2.1 計算控制方程

本文研究吹風(fēng)裝置中流體為空氣，屬于牛頓型流體，并假設(shè)空氣的黏性不隨吹風(fēng)體溫度的改變而改變，黏性為定值的不可壓縮流體。在三維穩(wěn)態(tài)湍流流動的計算過程中，控制方程是流體動力學(xué)計算基本守恒定律的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式，研究中應(yīng)用的控制方程有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，湍流運動控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型[5]。

2.2 邊界條件

物理參數(shù)為等效溫度下的常量，則流道內(nèi)流體的流動滿足連續(xù)性方程和動量方程，空氣密度=1.225 kg/m3，動力黏度=1.789×10-5Pa/s，由湍流強度：

其中，雷諾數(shù)：

表1 不同吹風(fēng)體流體模型

v為流體的平均速度，m/s；d為流束的特征長度，m；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；η為流體的動力黏度，Pa.s。

干燥裝置風(fēng)源由1臺流量1 000 m3/h，壓力50 kPa，真空壓力31 kPa的旋渦氣泵提供，經(jīng)管道連接將氣流輸送給干燥裝置各吹風(fēng)裝置，入口流速取v=40 m/s，入口湍流強度值為3.5，回流湍流強度取5；吹風(fēng)裝置進風(fēng)口管徑54 mm，進風(fēng)口入口條件設(shè)為速度入口，將出口條件設(shè)定為壓力出口，出口壓力為0 Pa，入口溫度設(shè)為298.15 K，出口溫度設(shè)置為300 K。壁面條件：固體壁面上采用無滑移條件。

2.3 材料設(shè)置

通風(fēng)管道內(nèi)的氣流為室內(nèi)空氣，物理參數(shù)為等效溫度下的常量，則流道內(nèi)流體的流動滿足連續(xù)性方程和動量方程[5]。

3 模擬與分析

采用標(biāo)準(zhǔn)的к-ε模型，求解器定義為基于壓力求解器(分離求解器) 隱式求解。壓力-速度耦合采用目前工程上應(yīng)用最為廣泛的Simple 流場求解算法，經(jīng)過200 次迭代后計算收斂。分別從FLUENT中讀取四種吹風(fēng)體的速度場。四種模型的參數(shù)設(shè)置完全相同以便于進行直觀比較。

3.1 吹風(fēng)體速度場分布

由表3中不同吹風(fēng)體流體速度場云圖可見，流體在經(jīng)過入口彎管段時，彎管的凸邊壁面流體流速減小，凹邊壁面流體流速增大，這是由于彎管對流體介質(zhì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向作用或離心力產(chǎn)生的二次流作用造成[7]；吹風(fēng)體1和吹風(fēng)體2中氣流通過中間導(dǎo)流板到達出口，吹風(fēng)體1中出口位置速度場分布特點為：中部區(qū)域速度大，兩端區(qū)域速度小；吹風(fēng)體2出口位置速度場分布特點為：整體分布均勻，出口速度方向一致度高。吹風(fēng)體3和吹風(fēng)體4由于內(nèi)部無導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，氣流經(jīng)入口后直接流經(jīng)出口流出，由于氣流自入口至出口不同位置與氣流流經(jīng)行程軌跡有關(guān)，從而在出口位置形成不同的氣流分布特點。吹風(fēng)體3出口位置速度場分布特點為：整體分布均勻，出口速度方向略雜亂，出口速度損失較大，中部區(qū)域速度大，兩端區(qū)域速度??；吹風(fēng)體4出口位置速度場分布特點為：整體分布均勻，出口速度方向集中，中部區(qū)域速度大，兩端區(qū)域速度小，見表4。

表2 不同吹風(fēng)體風(fēng)口流道結(jié)構(gòu)特征

通過表5～表8四種吹風(fēng)體不同切面位置出口速度場分布云圖可見，吹風(fēng)體1出口速度平均值略小于吹風(fēng)體2，且吹風(fēng)體1出口最大偏差較大，這表明吹風(fēng)體2出口中更多的氣流出口位置均布流出，從而減

小了出口的速度差值。吹風(fēng)體3與吹風(fēng)體4相比，吹風(fēng)體3出口速度平均值較大，且最大偏差較小。由此可見吹風(fēng)體3大量氣流能夠快捷的流經(jīng)出口，但通過切面速度場云圖可見，吹風(fēng)體3存在出口氣流速度方向雜亂，這在一定程度上會影響吹風(fēng)體的實際吹風(fēng)效果。綜合四種吹風(fēng)體結(jié)構(gòu)分析可見，吹風(fēng)體3出口流

速最大，出口位置氣流量較大，吹風(fēng)體4出口速度較大，出口中間區(qū)域吹風(fēng)效果較好，但速度偏差較大，吹風(fēng)體2 出口流量分布均勻，出口速度偏差較??；吹風(fēng)體1出口速度較小，出口偏差較大，后續(xù)此結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化改進。

表3 不同吹風(fēng)體速度場分布云圖

表4 不同吹風(fēng)體速度場不同截面位置圖

續(xù)表

表5 吹風(fēng)體1不同切面出口位置速度場分布云圖

表6 吹風(fēng)體2不同切面出口位置速度場分布云圖

表7 吹風(fēng)體3不同切面出口位置速度場分布云圖

表8 吹風(fēng)體4不同切面出口位置速度場分布云圖

4 結(jié)論

運用ANSYS-FLUENT對吹風(fēng)裝置內(nèi)部流體的流動過程進行了有限元分析，并對四種吹風(fēng)裝置進行了比較分析，通過比較得出結(jié)論如下：

（1）入口管道流動中形成二次流現(xiàn)象，在吹風(fēng)裝置入口彎曲段外壁面壓力大速度小，內(nèi)壁面現(xiàn)象相反，故后續(xù)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮減少入口彎角和入口連接部分長度。

（2）通過吹風(fēng)體1與吹風(fēng)體2的流場分布可見，入口位置和吹風(fēng)體主體結(jié)構(gòu)對出口位置速度分布會產(chǎn)生一定影響。

（3）綜合四種吹風(fēng)體流場分布，吹風(fēng)體2可較好的實現(xiàn)對多條制品同時擠出過程下的吹干作用，吹風(fēng)體4適宜對胎面等單條制品擠出過程的制品吹干作用。

（4）吹風(fēng)體3出口位置產(chǎn)生較大的速度值，且速度偏差較小，但由于出口速度方向分布不均，從而將影響實際吹風(fēng)效果。

（5）若實現(xiàn)更好地滿足擠出聯(lián)動線中單條或多條制品擠出情況下的吹風(fēng)冷卻要求，需優(yōu)化吹風(fēng)體導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和出口流道結(jié)構(gòu)，保證出口方向各個位置速度數(shù)值較大，方向一致，分布均勻。

（6）導(dǎo)流板、出口流道板、進口位置和吹風(fēng)體主體結(jié)構(gòu)形式是影響吹風(fēng)體實際工作性能的重要因素。

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