涂裝烘干工藝車間風(fēng)幕特性研究

童樂，岳晨，何緯峰，張世中，王福瑞

(1. 南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 江蘇驃馬智能裝備股份有限公司，江蘇 常州 213017)

0 引言

在汽車車身涂裝的烘干過程中，其能耗占比可達(dá)整個涂裝工藝的70%，烘干室有著巨大的節(jié)能潛力。車輛連續(xù)進(jìn)出車間需要開式操作，室內(nèi)外高達(dá)120℃的溫差易引起強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換[1]。傳統(tǒng)往往采用人工經(jīng)驗(yàn)對生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)際生產(chǎn)中再進(jìn)行調(diào)度調(diào)試[2]。合理設(shè)計(jì)適用烘干室這一特殊場合的風(fēng)幕、保證其運(yùn)作的節(jié)能高效是非常有必要的。

近年來，國內(nèi)外研究者針對不同建筑中的風(fēng)幕開展了大量研究?？姵康萚3]對安裝在冷庫入口處的風(fēng)幕進(jìn)行了特性研究，對在不同射流速度下庫外空氣侵入破壞原流場的機(jī)理進(jìn)行分析，得出了風(fēng)幕送風(fēng)速度的增大可以增加冷庫密封性的結(jié)論。風(fēng)幕在大型建筑物的防排煙系統(tǒng)中也有很大的應(yīng)用空間[4-5]，研究者利用小尺寸實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探究風(fēng)幕的能量特性[6]，全尺寸的模擬結(jié)果更有說服力。YANG S W等[7]將風(fēng)幕在不同操作下的狀態(tài)分為3種，不同應(yīng)用場所要求風(fēng)幕的射流速度、角度和送風(fēng)量不同[8]。南曉紅等[9]給出了風(fēng)幕運(yùn)行效率與噴射寬度、角度以及流速等參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，確實(shí)存在一個最優(yōu)的射流速度和噴射角度使風(fēng)幕運(yùn)行效率最高。有關(guān)風(fēng)幕性能影響因素的研究很多，但是都沒有明確影響變量的主要性和次要性[10]。

鑒于風(fēng)幕和車輛涂裝烘干車間的特點(diǎn)，當(dāng)前針對風(fēng)幕設(shè)計(jì)對車輛涂裝車間內(nèi)流場及密封性能的研究尚未開展。本文設(shè)計(jì)了一種適用于車輛涂料烘干車間的頂吹熱風(fēng)幕，并對其進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值仿真研究。揭示了風(fēng)幕射流速度、射流角度兩個關(guān)鍵操作參數(shù)對風(fēng)幕氣動特性的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

1.1 幾何模型

圖1為車輛涂裝烘干車間的三維模型，模型包括3個連續(xù)的部分，分別為進(jìn)口延長段、涂裝烘干車間和出口延長段，出口延長段后接高溫烘烤室。風(fēng)幕裝置的具體安裝位置和出風(fēng)角度設(shè)定如圖2所示。

圖1 車輛涂裝烘干車間的三維模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 風(fēng)幕二維幾何結(jié)構(gòu)示意圖

表1給出了車輛烘干車間具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。L1、L2和L3分別為3個區(qū)域的長度，H和W分別為車間的高度和寬度。

表1 車輛涂裝烘干車間的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位：m

1.2 求解設(shè)置和邊界條件

采用ANSYS CFX軟件，基于涂裝烘干車間內(nèi)空氣的質(zhì)量、動量及能量守恒，建立了全尺寸物理模型，對風(fēng)幕裝置射流產(chǎn)生的三維湍流氣流進(jìn)行數(shù)值模擬。假設(shè)車間內(nèi)流動為不可壓縮穩(wěn)態(tài)紊流，車間內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外界無熱質(zhì)交換，假設(shè)射流速度穩(wěn)定、恒定。風(fēng)幕射流穩(wěn)定流動時，各處的時均量均保持恒定，忽略黏性耗散和輻射量，采用Boussinesq假設(shè)，考慮浮升力的影響。數(shù)值仿真過程中的邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 車輛涂裝烘干車間CFD邊界條件設(shè)置

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性及模型驗(yàn)證

利用ICEM軟件為計(jì)算域劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。圖3給出了風(fēng)幕射流速度為12m/s、射流角度為45°時網(wǎng)格數(shù)分別為1.0×106、1.5×106、2.0×106、2.5×106和3.0×106對應(yīng)的入口延長段的平均溫度值。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加至2.0×106時，左側(cè)入口的溫度不再變化，表明模型此時達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)性要求。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下，12m/s、45°時入口延長段溫度

本文以迪特馬爾·威蘭等[11]的帶有用于吹入氣態(tài)流體裝置的加工腔作為對比參考文獻(xiàn)。圖4為車間流場分布和氣流流動趨勢對比圖。對比圖4(a)和圖4(b)的結(jié)果，本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[11]結(jié)果的流動趨勢和渦旋分布位置基本一致，且本文模擬結(jié)果所示的流場分布完全符合空氣動力學(xué)原理，是頂部噴射的高速氣流導(dǎo)致了氣流的分離。因此利用本文所建物理模型開展后續(xù)研究是可行的。

圖4 車間流場分布和氣流流動趨勢

初始建模時，風(fēng)幕射流速度不變，Vj為12 m/s，溫度為433 K。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

風(fēng)幕射流速度為16m/s、射流角度為45°時整個車間內(nèi)部氣流的分布及走向如圖5所示。在溫差、壓差和密度差等因素的綜合影響下，流場中形成三個氣流分布域，根據(jù)溫度的差異分別定義為高溫氣流渦、冷熱氣流混合渦和低溫氣流渦，渦旋的中心速度接近0m/s。高溫、高速氣流由風(fēng)幕出口流至地面形成氣流屏障。主射流到達(dá)地面后反射，產(chǎn)生能量損失，速度急劇下降。反射后的主射流分成的兩部分，一部分流向左側(cè)用于阻隔冷空氣，另一部分高溫氣流入車間高溫區(qū)。

圖5 車間流場跡線圖

圖6為車間內(nèi)部的二維溫度分布，三個流場分布域的存在造成明顯的溫度分區(qū)。低溫氣流渦聚集在車間頂部，與風(fēng)幕出口高溫氣流熱交換現(xiàn)象明顯。圖7為車間入口處截面的溫度分布，截面溫度由車間頂部到地面逐漸降低。

圖6 車間內(nèi)部溫度云圖

圖7 車間入口截面溫度云圖

結(jié)合流場跡線圖和溫度云圖，利用定性指標(biāo)和定量指標(biāo)來分析不同工況下風(fēng)幕的卷吸特性和密封效果：風(fēng)幕主射流是否能夠流動至地面，形成完整的氣流屏障，起到阻擋室外冷流的滲透和室內(nèi)熱流泄漏的作用作為定性指標(biāo)；車間入口處溫度和阻隔率作為定量指標(biāo)。阻隔率用來估算幕卷吸空氣的熱力影響，定義阻隔η為

(1)

式中：Tjet為風(fēng)幕射流溫度；Tmix為射流卷吸左側(cè)冷空氣后的混合平均溫度；Tamb為環(huán)境溫度；η介于0～1之間。圖8所示的位置1、位置2分別為車間入口和射流卷吸處的測溫位置。

圖8 車間入口測溫位置示意圖

2.2 射流速度對風(fēng)幕特性的影響

圖9為風(fēng)幕射流角度為45°、速度為8m/s～20m/s時速度流線圖((a)-(e))和溫度云圖((f)-(j))。圖9(a)速度流線顯示風(fēng)幕無法阻隔入口的冷空氣，8m/s的射流速度下主射流不能流動至地面，無法形成完整的射流屏障。此時室內(nèi)外存在的巨大溫差和密度差產(chǎn)生了較大的氣流驅(qū)動力，不僅不能阻隔冷空氣，反而會增加進(jìn)入車間的冷空氣量。

由圖9(a)- 圖9(e)可知，隨著射流速度的增加，渦旋的大小和位置會隨之發(fā)生變化。射流速度增加到10m/s時，射流主流依然沒有完全流動至地面，使得部分冷氣流從車間底部滲入。主射流在地面上方分成左右兩部分。射流速度12m/s時主射流形成完整氣流屏障，并從地面反射，反射的強(qiáng)度會隨著速度的增大而增強(qiáng)，當(dāng)射流速度>12m/s時，反射作用更加明顯，冷熱氣流間的傳熱也更加強(qiáng)烈。

結(jié)合圖9(f)-圖9(j)的溫度云圖，射流速度為12m/s時，風(fēng)幕射流兩側(cè)高低溫區(qū)間分隔最為明顯，此時室內(nèi)外熱質(zhì)交換的程度最弱，密封效果相較于其他射流速度更好。

圖9 射流速度為8～20m/s時車間流場和溫度分布

圖10為不同射流速度下入口的平均溫度值和風(fēng)幕阻隔率。綜合圖9和圖10的結(jié)果，盡管射流速度低于10m/s時，入口的平均溫度較低，但是并未達(dá)到阻隔左側(cè)冷空氣的效果。由圖10可知，當(dāng)射流速度>12m/s時，入口平均溫度逐漸增大，阻隔率逐漸降低，射流速度12m/s時的阻隔率達(dá)到0.83，密封和節(jié)能效果最佳。

圖10 不同射流速度入口平均溫度和阻隔率

2.3 射流角度對風(fēng)幕特性的影響

圖11是風(fēng)幕在射流速度為12m/s、射流角度分別為35°～55°時的速度流線圖((a)-(e))和溫度云圖((f)-(j))。圖11(a)-圖11(b)的速度流線圖顯示在35°和40°的射流角度下，主射流在距離地面不同高度處向車間內(nèi)彎曲，沒有形成阻隔入口冷空氣的分流，沒有形成完整的射流屏障。此時強(qiáng)大的氣流驅(qū)動力會造成進(jìn)入工作車間冷空氣量的增加。當(dāng)射流角度增大至45°時射流流動至地面，隨著射流角度從45°增大至55°，冷熱氣流混合渦的體積不斷增大，從主射流流至左側(cè)的熱氣流增加，進(jìn)而增強(qiáng)屏障兩側(cè)的傳熱傳質(zhì)。45°、50°和55° 3個射流角度下均起到了阻隔冷空氣的效果。由圖12所示的平均溫度和阻隔率可以看到，隨著射流角度的增大，左側(cè)入口溫度越來越高，阻隔率逐漸降低，相較于45°的射流角度，50°和55°存在明顯的熱量浪費(fèi)。

圖11 射流速度為12m/s時車間流場和溫度分布

圖12 不同射流角度入口平均溫度和阻隔率

如圖11(b)所示，在12m/s、40°的條件下，射流不能形成完整的屏障，在此射流角度下繼續(xù)增大射流速度研究風(fēng)幕特性。圖13是在射流角度為40°時，增大射流速度至16 m/s和20 m/s時的速度流線圖((a)-(b))和溫度云圖((c)-(d))?？梢钥闯鲈龃笊淞魉俣鹊?0m/s才能達(dá)到阻隔效果，大風(fēng)量雖然阻擋了左側(cè)的冷氣流的滲入，但是相較與12m/s、45°的結(jié)果，阻隔效果較差。因此無論是從節(jié)能的角度還是密封效果的角度來說，調(diào)節(jié)角度比增大射流速度更有意義。

圖13 射流速度為16m/s和20m/s時車間流場和溫度分布

在本文所研究的車間高度下，不考慮車輛進(jìn)入車間的情況，風(fēng)幕出口的射流速度和噴射角度分別為12m/s、45°時，密封效果和節(jié)能效果最佳，阻隔率為0.83。

3 結(jié)語

1)調(diào)整射流角度比調(diào)整射流速度對風(fēng)幕特性的影響更顯著。

2)在本研究的車間高度及無車輛進(jìn)出條件下，射流速度和噴射角度分別為12m/s、45°的工況有較好的密封和節(jié)能效果。在實(shí)際操作過程中，建議將風(fēng)幕的射流速度和射流角度略大于最佳工況。

3)增加風(fēng)幕射流速度和射流角度可以提高頂吹風(fēng)幕密封效果，但是車間入口的平均溫度隨之增大，會造成熱能浪費(fèi)。