基于Fluent的某濾棒成型機(jī)中線膠槍噴嘴流場(chǎng)分析

李 俏，楊 斌，王鵬程，黃永程

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶526100）

基于Fluent的某濾棒成型機(jī)中線膠槍噴嘴流場(chǎng)分析

李 俏，楊 斌，王鵬程，黃永程

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶526100）

針對(duì)某濾棒成型機(jī)中線膠上膠連貫性以及漏膠現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬軟件分析研究其原因以及提出改進(jìn)措施并且驗(yàn)證。主要建立了某濾棒成型機(jī)中線膠槍噴嘴的三維模型，借助于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)CFD軟件Fluent仿真模擬中線膠槍噴嘴在不同工況下噴膠情況，最后驗(yàn)證減小噴膠嘴孔徑這一方法可以有效地減少漏膠現(xiàn)象。

中線膠槍噴嘴；Fluent；流場(chǎng)數(shù)值模擬

0 前言

某濾棒成型機(jī)設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后，多臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)噴涂量大、漏膠較多、中線膠殘缺、噴嘴堵塞等問(wèn)題。噴涂量大造成原輔料白乳膠（聚醋酸乙烯酯）浪費(fèi)、噴嘴漏膠引起生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生狀況差[1]。同時(shí)，由于所漏出的膠停留集聚在噴嘴處，固化后堵塞噴嘴出口，造成中線膠不連貫、殘缺，甚至無(wú)中線膠，存在較大的質(zhì)量隱患。而且設(shè)備故障次數(shù)增加，導(dǎo)致濾棒供給壓力增大，在很大程度上影響了生產(chǎn)效率。

為了減少中線膠殘缺次數(shù)及減少漏膠量，提升中線膠噴涂效果。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)組織調(diào)查研究，找出其原因，最終確定要因?yàn)橹芯€膠槍噴嘴口冷膠壓力不足。

對(duì)于上面提到的問(wèn)題，提出兩種對(duì)策，一是更換最新的上膠裝置，二是減小噴膠嘴孔徑。通過(guò)對(duì)上述兩種對(duì)策的綜合分析，方案一雖然能夠增加噴嘴口冷膠出膠壓力，但是由于費(fèi)用太過(guò)高昂，不符合行業(yè)內(nèi)降本增效的大形勢(shì)。所以最終采用“方案二”這一對(duì)策來(lái)提升成型機(jī)濾棒中線膠的噴涂效果。本文在前人研究基礎(chǔ)上利用當(dāng)今應(yīng)用普遍且快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)CFD中的Fluent仿真模擬中線膠槍噴嘴在不同工況下噴膠情況，驗(yàn)證減小噴膠嘴孔徑這一方法的有效性，通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證，這一方法可以有效地減少漏膠現(xiàn)象。

1 中線膠槍噴嘴數(shù)學(xué)模型的建立

圖1 中線膠槍噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中線膠槍噴嘴數(shù)學(xué)模型

2 中線膠槍噴嘴流場(chǎng)模擬仿真

根據(jù)所引用中線膠槍噴嘴噴膠，可認(rèn)為是液體介質(zhì)作用，采用fluent數(shù)值仿真時(shí)采用單相流仿真模擬膠在中線膠槍噴嘴內(nèi)的流動(dòng)情況。

2.1 模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用CFD系列軟件ICEM CFD劃分，應(yīng)用四叉樹(shù)（二維）∕八叉樹(shù)（三維）方法，直接劃分四邊形∕六面體為三角形∕四面體，該方法不用考慮相鄰單元之間的相交性及相容性等問(wèn)題，則其生成網(wǎng)格的速度快。本文模型劃分的是三角形（四面體）非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，不同孔徑大小的中線膠槍噴嘴網(wǎng)格單元數(shù)分別為361120、593321。劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

根據(jù)中線膠槍噴嘴的實(shí)際工況，冷膠的出口直徑D1=1mm，D2=2mm，根據(jù)工況，膠進(jìn)口速度為10m∕s，進(jìn)口邊界條件為出口均采用壓力出口，邊界條件均采用自由邊界條件。其中物理模型中涉及的連續(xù)性方程為

其中u、ν、ω是各個(gè)速度矢量在坐標(biāo)軸x、y、z方向上的各個(gè)分量。

N-S方程[2]為

湍流強(qiáng)度為[3]

湍動(dòng)能為

湍功耗散率為

式中，ReDH為按水力直徑DH計(jì)算得到的雷諾數(shù)，μ為平均流速，Cu為耗散率系數(shù)，Cu=0.09，l為湍流長(zhǎng)度尺度，l=0.07，L為水力直徑。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)仿真模擬計(jì)算，可得中線膠噴嘴出口動(dòng)壓力云圖（如圖4所示），從云圖中明顯可以看到孔徑為1mm的出口動(dòng)壓力為0.0332MPa、孔徑2mm的出口動(dòng)壓力為0.00223MPa，很好地驗(yàn)證了可以通過(guò)減小中線膠噴嘴的孔徑直徑來(lái)增加噴涂到膠紙上的冷膠壓力，這樣就可以增大噴嘴處乳膠對(duì)成型紙的附著力，增強(qiáng)黏附效果，從而提升噴涂效果，減少中線膠槍噴嘴漏膠這一問(wèn)題。

圖4 噴嘴出口動(dòng)壓力云圖

減小中線膠噴嘴孔徑大小其有效性可分為如下三大方面:

1）成型紙表面有孔洞，更大的沖擊力能使白乳膠更好的附著在成形紙上；

2）避免白乳膠因膠嘴的孔徑過(guò)大而從間隙中漏出；

3）可適當(dāng)減少煙用白乳膠出膠量，同時(shí)保證上膠效果。

根據(jù)上述第三點(diǎn)效益，減少膠出膠量可以保證上膠效果，所以現(xiàn)把膠流量從18毫克∕分鐘改為8毫克∕分鐘，再次仿真模擬計(jì)算再次得到孔徑大小為1mm的中線膠噴嘴出口壓力云圖（如圖5所示），從圖中可知膠流量為18毫克∕分鐘、8毫克∕分鐘的中線膠噴嘴出口壓力分別為0.109Pa、0.408Pa，明顯可以減少膠出量增加噴涂到膠紙上的冷膠壓力，達(dá)到同樣的效果。

圖5 噴嘴出口動(dòng)壓力云圖

4 結(jié)論

為了減少中線膠槍噴嘴漏膠這一問(wèn)題，通過(guò)分析原因提出方法——減小中線膠槍噴嘴孔徑大小，一方面理論分析了這一決策的正確性，另一方面通過(guò)建立改進(jìn)中線膠槍噴嘴模型的三維圖，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)CFD Fluent仿真模擬中線膠槍噴嘴內(nèi)部冷膠引射的過(guò)程，模擬結(jié)果驗(yàn)證減小噴膠嘴孔徑這一方法可以有效地減少漏膠現(xiàn)象，最后用同樣的方法驗(yàn)證了也可以通過(guò)減少膠出流量來(lái)達(dá)到同樣的效果。

[1]王棟梁.某煙草加香加料機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[2]休斯W F，布萊頓JA.流體動(dòng)力學(xué):第1版[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[3]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用:第1版[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

TS43

A

1673-2928（2018）02-0037-03

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.010

2017-10-31

高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與改革工程廣東省教學(xué)團(tuán)隊(duì)（機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)）建設(shè)（項(xiàng)目編號(hào)：171）；廣東理工學(xué)院科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GKJ2016010）。

李俏（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

郝安林）