基于CFD的H型真空手套箱氣固兩相流動特性分析

蒲志新，賈加亮，武志龍，翟孖廣

(遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

進入21世紀以來，我國制造業(yè)得到了快速發(fā)展，隨之對機械加工制造工藝和加工環(huán)境提出了更高的要求，真空手套箱作為一種重要的加工平臺在越來越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。真空手套箱的工作原理是，利用其中的惰性氣體將箱體內(nèi)的氧氣、 水蒸氣等排出或控制箱內(nèi)氣體成分和比例。真空手套箱廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、 半導體等領(lǐng)域。除此之外在生物學領(lǐng)域也有應(yīng)用，例如厭氧菌培養(yǎng)、 細胞低氧培養(yǎng)等[1]。

在實際生產(chǎn)過程中，手套箱的結(jié)構(gòu)會根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境、可利用空間、箱體內(nèi)放置設(shè)備形狀等因素，做出相應(yīng)的改變。目前，國內(nèi)手套箱生產(chǎn)企業(yè)多以仿制為主，對手套箱結(jié)構(gòu)變化之后的對應(yīng)流場狀態(tài)的改變研究很少，缺乏相應(yīng)的理論支撐，導致箱體內(nèi)產(chǎn)生理想氛圍時間較長，或者不能夠達到理想氛圍要求。本文中主要對一種結(jié)構(gòu)外形類似大寫字母H，同時滿足增材制造和減材制造的手套箱內(nèi)流域進行流固耦合仿真分析，手套箱內(nèi)增材制造過程主要運用選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)[2]打印工藝，該過程主要運用金屬、陶瓷等高分子材料。在打印時，材料并非是絲線狀，而是聚合物粉末，使得打印過程會產(chǎn)生“煙霧”[3]。為了優(yōu)化打印區(qū)域氣體氛圍質(zhì)量，減少煙霧量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決企業(yè)在生產(chǎn)過程中遇到的問題，本文中主要研究氣固兩相流動特性，優(yōu)化箱體加工環(huán)境，降低企業(yè)人力物力消耗，為現(xiàn)有特種工況手套箱的設(shè)計提供參考。

1 物理建模

傳統(tǒng)手套箱系統(tǒng)是由凈化器、手套箱以及箱體內(nèi)設(shè)備共同組成，需求不同，手套箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往也不盡相同[4]。本文中的箱體結(jié)構(gòu)是根據(jù)客戶需求設(shè)計的，該箱體左側(cè)腔室放置一臺3D打印機，右側(cè)腔室放置一臺重型壓機，工件可以在箱體中部傳送、檢驗，該H型手套箱系統(tǒng)三維模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示；二維主視圖和右視圖如圖2所示。

1—激光增材制造設(shè)備; 2—手套箱孔圈; 3—大過渡艙; 4—進氣孔; 5—真空泵; 6—出氣孔; 7—減材制造設(shè)備; 8—小過渡艙; 9—凈化器。圖1 H型手套箱系統(tǒng)三維模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Standard view of 3D model of H-type glove box system

a)主視圖b)右視圖圖2 H型真空手套箱二維視圖(單位:mm)Fig.2 Two dimensional view of H-type vacuum glove box

2 網(wǎng)格模型

手套箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，包括置物盤、 手套、 增材制造、 減材制造設(shè)備、 大小過渡倉等，在流體分析時，如果考慮這些因素則流道抽取比較困難，個別結(jié)構(gòu)對流場分析影響比較小，可以對模型進行簡化，忽略次要因素[5-6]，圖3為模型簡化后的流場結(jié)構(gòu)圖。

圖3 模型簡化后流場結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Flow field structure after model simplification

為了分析網(wǎng)格質(zhì)量對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，最大網(wǎng)格尺寸參數(shù)分別設(shè)置為100、 70、 50、 30 mm，劃分好網(wǎng)格后，進氣口速度恒定為4.777 m/s，分別求出不同網(wǎng)格數(shù)量對流道對稱面直線ab上速度值的影響，見圖4。從圖中可以看出，在最大網(wǎng)格尺寸小于70 mm時，數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。為了降低計算機的運算量，將網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)置為70 mm，并將局部網(wǎng)格加密，壁面增長率為1.2[7]，采用的網(wǎng)格數(shù)為270 766萬左右，最小體積為111.154 2 cm3，最大體積為297.622 1 cm3，最差的網(wǎng)格質(zhì)量為0.992。網(wǎng)格劃分示意圖如圖5所示。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量對直線ab上速度值的影響Fig.4 Influence of different grid number on simulation results

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Grid generation diagram

3 數(shù)學模型

3.1 控制方程的選擇

3.1.1 基本假設(shè)

在建立數(shù)學模型時，忽略影響較小的因素，做如下的假設(shè)： 1)氣相、固相均為連續(xù)性流體且在空間上共存； 2)箱體內(nèi)兩相流動均為湍流且固相體積濃度均勻分布于工作臺表面； 3)固體顆粒為剛性球體且表面光滑； 4)僅考慮固體顆粒的阻力和重力并忽略其他力[8-9]。

3.1.2 基本方程

在研究過程中，忽略吸熱、放熱等能量交換，應(yīng)用的基本方程為續(xù)性控制方程和動量控制方程[10]。

連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量，m/s。

動量方程為

(2)

(3)

(4)

式中：fx、fy、fz分別為x、y、z方向的作用力，該作用力包含體積力和表面力。

5個模型：標準k-ε、重整化群(RNG)k-ε、可實現(xiàn)k-ε、標準k-ω和湍流模型剪切應(yīng)力輸運(SST)k-ω，是使用最廣泛的湍流模型[11]。標準k-ε模型是Launder and Spalding提出的適用范圍廣、經(jīng)濟、合理的精度模型，它是個半經(jīng)驗的公式，是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的。RNGk-ε模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術(shù)，它和標準k-ε模型很相似，但是有以下改進： 1)RNG模型在ε方程中加了一個條件，有效地改善了精度； 2)考慮到了湍流漩渦，提高了在這方面的精度； 3)RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，然而，標準k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)； 4)標準k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式?？蓪崿F(xiàn)的k-ε模型出現(xiàn)較晚，與標準k-ε模型相比有2個主要的不同點： 可實現(xiàn)的k-ε模型為湍流粘性增加了一個公式； 為耗散率增加了新的傳輸方程。標準k-ω模型是基于Wilcoxk-ω模型，為考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播而修改的。標準的k-ε模型的一個變形就是SSTk-ω模型，這個模型由Menter發(fā)展，以便在廣泛的領(lǐng)域中可以獨立于k-ε模型，在近壁自由流中k-ω模型有廣泛的應(yīng)用范圍和精度。

綜合考慮本項目的特點和不同湍流模型的特點，選擇標準k-ε模型公式進行求解計算[12-13]。

湍流模型為

(5)

(6)

式中：ε為湍流耗散率；Gk為因速度梯度引起的湍動能增加項；Gb為因浮力引起的湍動能k的增加項；ui為液相速度分量，m/s；μt為湍流黏性系數(shù)；ρ為流體密度g/cm3；C1ε為經(jīng)驗常數(shù)，一般分別取0.09、1.40、 1.92。

3.2 邊界條件的設(shè)定

由于我們模擬的是固體小顆粒在手套箱內(nèi)的運動，進氣口速度是已知的，因此進氣口處邊界條件選擇速度入口；出氣口處邊界條件選擇壓力出口，顆粒入口設(shè)置為wall-jet，其余的邊界設(shè)置為固體壁面邊界條件[14]。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 氣固兩相速度分布

為了更好地觀察箱體內(nèi)氣相和固相的速度分布，分別選取z為-150、 -580.5、 -101 1 mm；x為-500、 675.5、 1 840 mm截面為研究對象，分別得到當進氣口速度為4.777 m/s時，各個截面的速度離散圖和速度云圖。

圖6為不同z值截面的速度離散圖。通過圖6 a)可以看到，進氣口速度為4.777m/s，氣體由進氣口進入流道之后，因為氣體的發(fā)散性，速度值逐漸減小，并且逐漸向周邊區(qū)域擴散。z=-150 mm右側(cè)為箱體壁面，箱體壁面有一定的粗糙度，導致速度值減小，速率較大；在z=-150 mm至z=1 840 mm區(qū)域內(nèi)，氣相速度值變化較小，恒定為1 m/s左右；當處于流道出口時，速度再次增大，在流道末端速度值增加較快。由于增材制造設(shè)備產(chǎn)生固體顆粒占用一定的空間，會出現(xiàn)氣相在出氣口處速度大于進氣口處速度的現(xiàn)象。

通過圖6 b)可以看出，在增材制造加工平臺，熱氣流上升帶動周圍固體小顆粒上升，隨后在高速氣體的帶動下，使固體顆粒速度明顯增大，從最初的0.6 m/s增大至2.5 m/s左右。之后在氣流組織的帶動下，固體顆粒伴隨氣流組織在箱體內(nèi)流動，整體速度與氣相速度正相關(guān)，在箱體出口附近，氣相速度增大，則固體相顆粒速度逐漸增大，最終隨著氣相排出箱外。

a)氣相b)固相圖6 不同z值截面的速度離散圖Fig.6 Discrete diagram of section velocity with different z values

圖7為不同z值截面的速度云圖，圖中z為-150和-1 011 mm截面氣相在進氣口速度值最大，進入流道后，流域空間增加，氣體逐漸向四周擴散。在左側(cè)箱體壁面的作用下，氣體速度方向發(fā)生改變，整體分布表現(xiàn)為箱體壁面處速度值較大，中間區(qū)域速度較小。在出氣口位置附近，速度分布較為均勻，但是在近壁面附近的壁面粗糙，導致氣相速度較小，出氣口速度大于入氣口速度，這是因為在流場運動的過程中，不斷有固體顆粒的加入，導致流域體積空間發(fā)生變化。固相在進氣口附近速度值大于固相入口速度，其原因在于固相在流域內(nèi)游離，在進氣口附近高速氣體的帶動下，固相速度有所增加。在出氣口附近表現(xiàn)出固體顆粒粒徑較小，固相氣相伴隨性良好的特點。固相速度隨著氣相速度逐漸增加到最大，最后固體顆粒隨著高速氣體排出箱體外。在z=-580.5 mm截面，可以看到氣相和固相速度變化不大，基本趨于穩(wěn)定，在左側(cè)存在內(nèi)部設(shè)備，表現(xiàn)為氣相和固相在設(shè)備表面處速度值增大。固體顆粒釋放速度相對于進氣口氣相速度較小，所以在整個速度云圖中并不能明顯觀察到固相速度入口附近區(qū)域的速度變化。

z=-150 mmz=-580.5 mmz=-1 011 mma)氣相z=-150 mmz=-580.5 mmz=-1 011 mmb)固相圖7 不同z值截面的速度云圖Fig.7 Velocity cloud diagram with different z-value cross section

圖8為不同x值截面的速度離散圖，其中紅色區(qū)域為進氣口截面，黑色區(qū)域為出氣口截面，綠色區(qū)域為箱體中間對稱面。由圖中紅色區(qū)域可以看出，箱體在上、下端進氣口速度值呈喇叭形狀散開，速度減小，由于流道中設(shè)備占用空間，導致上端進氣口氣相速度衰減較為緩慢，下端進氣口速度快速衰減至一定值；黑色區(qū)域可以看出，箱體上、下端出氣口，速度分布較為均勻，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，由圖8 a)明顯可以看出，出氣口速度值大于進氣口速度值，進氣口速度為4.777 m/s，出氣口速度為5.7 m/s左右；從綠色區(qū)域可以看出，流道內(nèi)氣相在中心區(qū)域速度值較大，靠近箱體壁面處速度值較小，從壁面到中心區(qū)域速度逐漸增加，增加幅度較為平緩，中心區(qū)域固相速度值最大可以達到1 m/s。

a)氣相b)固相圖8 不同x值截面的速度離散圖Fig.8 Discrete diagram of cross section velocity with different x values

由圖8 b)中紅色區(qū)域可以看出，固相在上、下端進氣口速度值大于增材制造加工表面固相速度，箱體中部流域由于高速氣體的作用，部分固體顆粒表現(xiàn)出較高的速度；由黑色區(qū)域可看出，箱體上、下端出氣口，固相速度分布較為均勻，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，與氣相速度分布基本一致，呈現(xiàn)出固相隨氣相流動的現(xiàn)象；從綠色區(qū)域可以看出，流道內(nèi)中心區(qū)域速度值較大，靠近箱體壁面處速度值較小，從壁面到中心區(qū)域逐漸增加，增加幅度較為平緩，中心區(qū)域固相速度值最大可以達到1 m/s。

圖9為氣相不同x值截面的速度云圖。由圖中可以看出，x=-500 mm截面處，由于內(nèi)部流道的布置，氣相速度主要沿箱體近壁面處分布，且速度衰減較快，流道中間流域速度較??；在進、出氣口附近區(qū)域，固相小顆粒伴隨氣相運動，固相顆粒速度小幅度增加。x=-675.5 mm截面處，氣相速度較小且變化不大，氣、固兩相速度在中部區(qū)域略大于壁面處。x=1 840 mm截面處，氣相在靠近出氣口位置速度均勻增加，到達出氣口時，速度值達到最大。在此區(qū)域固相速度隨氣相速度增加而增加，固相顆粒隨著氣體從出氣口排出箱體外部。

x=-500 mmx=-675.5 mmx=1 840 mmx=-500 mmx=-675.5 mmx=1 840 mm圖9 氣相不同x值截面的速度云圖Fig.9 Cross section velocity nephogram of gas phase with different x values solid

4.2 入口氣體速度對固相速度的影響

為了探究進氣口氣體速度與箱體內(nèi)氣、 固兩相流動特性的關(guān)系，令進、 出氣口尺寸不變，多相流參數(shù)不變，通過改變?nèi)霘饪跉怏w速度，分別對氣、 固兩相流動進行數(shù)值模擬，最后對比分析在5種不同入口氣體速度下，箱體內(nèi)過點a(-500, 475.5, -580.5)、b(1 840, 475.5, -580.5)直線上的固相速度。工況1—5的氣體入口速度分別設(shè)置為1.592、 2.213、 2.654、 3.715、 4.777 m/s，氣體密度均設(shè)置為1.2 kg/m3，固體顆粒直徑設(shè)置為90 nm，固體顆粒密度設(shè)置為2 713 kg/m3。

圖10為不同進氣口速度對直線ab上固相速度的影響，由5種工況下的固相速度對比圖可看出，隨著進氣口速度逐漸增加，固相速度在箱體內(nèi)速度變化規(guī)律類似，具體表現(xiàn)為：x=-500至x=-400 mm區(qū)域，固相第1次加速；x=-400至x=-100 mm區(qū)域，固相顆粒上升力與空氣阻力逐漸達到平衡狀態(tài)，使固相速度區(qū)域平緩，并且有略微的減速現(xiàn)象；x=-100至x=300 mm區(qū)域，固相顆粒物第2次加速，速度分別增加至對應(yīng)最大值；x=300至x=1 500 mm區(qū)域，固相顆粒進入流道中間區(qū)域，速度值減小?？諝庾枇εc固相顆粒速度成正比，所以進氣口氣相速度值越大，該速度衰減速度越快；x=1 500至x=1 800 mm區(qū)域的內(nèi)部設(shè)備占用流道空間，導致固相顆?？焖偎p至一個較小的值，并且這個區(qū)域存在進氣口氣相速度值越大，速度衰減越快的現(xiàn)象。

圖10 不同進氣口速度對直線ab上固相速度的影響Fig.10 Effect of different inlet velocities on solid phase velocity at straight line ab

4.3 固相顆粒粒徑對固相速度的影響

在箱體實際應(yīng)用過程中，顆粒物會凝并，左側(cè)3D打印區(qū)域產(chǎn)生的粉體粒徑大小會有差異，故此，為了更加深入地研究箱體內(nèi)部粉塵的運動規(guī)律，達到理想的除塵效果，在保證流場分析參數(shù)不變的情況下，改變顆粒物粒徑，對箱體內(nèi)流域中的固相顆粒速度進行分析，工況6—10的固體顆粒直徑分別設(shè)置為0.09、 0.9、 9、 5、 10 μm，氣體入口速度均設(shè)置為1.592 m/s，氣體密度設(shè)置為1.2 kg/m3。

對5種工況進行模擬，得到5種工況下固體顆粒在ab線上的速度對比圖，見圖11。由圖可以看出，當進氣口速度v=1.592 m/s恒定時，固體顆粒在線ab上的速度總體上隨著固體顆粒粒徑的增大而減小。當顆粒直徑d小于5 μm時，表現(xiàn)為在x=-500至x=-400 mm區(qū)域，固相速度增加； 在x=-400至x=-100 mm區(qū)域，由于固相顆粒上升力與空氣阻力共同作用，固相速度出現(xiàn)小范圍減速； 在x=-100至x=300 mm區(qū)域，固相顆粒物速度再次增加； 在x=300至x=1 500 mm區(qū)域，速度值緩慢減??；x=1 500 mm至x=1 840 mm區(qū)域，由于左側(cè)箱壁的作用，固相速度快速減小。當顆粒直徑d≥10 μm時，在x=-500至x=-300 mm區(qū)域，固相顆粒物速度值急劇減?。?在x=-300 mm至x=600 mm區(qū)域，速度隨著高速氣流作用增加，固相顆粒物速度快速增加； 在x=600 mm至x=1 500 mm區(qū)域，速度值緩慢減小，由于慣性較大，速度減小較為緩慢；x=1 500 mm至x=1 840 mm區(qū)域，與顆粒直徑d≤5 μm的固體顆粒相同。綜上所述，當3D打印時產(chǎn)生的燒結(jié)顆粒直徑為5 μm以下時，設(shè)定的初始空氣流量依然可以滿足箱體內(nèi)的除塵要求。

圖11 5種工況下固體顆粒在ab線上的速度對比圖Fig.11 Velocity comparison of solid particles on abline under five working conditions

4.4 實驗驗證

依據(jù)已構(gòu)建的物理模型，進行箱體強度靜力學分析，干涉性校驗之后，搭建實驗平臺，對氣固兩相流動仿真分析出的現(xiàn)象進行工程實際驗證，1∶1實物實驗平臺如圖12所示。

a)正視圖b)側(cè)視圖圖12 1∶1實物試驗平臺Fig.12 1∶1 Physical test platform

H型真空手套箱主要為產(chǎn)品提供低含水量、低含氧量、無塵的的加工環(huán)境，通常水、氧的體積分數(shù)均小于10-6，進而保證箱體內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)品材料的原有屬性。當固相顆粒粒徑較小時，固相顆粒物對氣相有較好的伴隨性，所以本實驗通過箱體內(nèi)氧含量的變化，反映理論流體仿真分析結(jié)果的可靠性。通過實際測試，手套箱水、氧含量變化趨勢圖如圖13所示。

a)第1次檢測圖b)第2次檢測圖圖13 氧含量和水含量變化趨勢圖Fig.13 Trend chart of oxygen content and water content

圖13中，第1次檢測氧含量在1 h內(nèi)一直處于波動狀態(tài)，其中前30 min氧含量變化的幅度較大；第2次檢測氧含量波動頻率較小，在長時間內(nèi)氧含量不能達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過2次箱體內(nèi)部氧含量檢測試驗，驗證箱體數(shù)值模擬結(jié)果，即當前手套箱系統(tǒng)內(nèi)部流場流動不均勻、局部空氣渦流，使水、氧含量不能在較短時間內(nèi)達到生產(chǎn)制造的氛圍要求。

5 結(jié)論

1)對H型特殊結(jié)構(gòu)手套箱內(nèi)部氣固兩相速度進行數(shù)值模擬，分析在生產(chǎn)過程中不能快速達到加工標準氛圍原因，通過關(guān)鍵位置速度云圖、速度離散圖發(fā)現(xiàn)，箱體內(nèi)速度分布不均勻，局部產(chǎn)生較嚴重渦流區(qū)，進而表現(xiàn)為局部煙霧、或者局部顆粒物沉積。

2)通過對箱體內(nèi)工況進行分析，發(fā)現(xiàn)當固相顆粒物粒徑(d=90 nm)不變時，隨著進氣口速度的增加，固相速度隨之增大，固相對氣相表現(xiàn)出良好的伴隨性。

3)考慮到顆粒物的凝并現(xiàn)象，研究了當進氣口速度恒定，依次增加顆粒物粒徑，分析固相速度得到，當顆粒粒徑小于5 μm，固相對氣相表現(xiàn)出較好的伴隨性，當顆粒粒徑大于等于10 μm時，固相顆粒物對氣相的伴隨性較差。

4)通過分析不同參數(shù)變化對氣相、固相速度的影響，闡釋H型手套箱內(nèi)氣固兩相流動特性，雖然不能直接適用于所有手套箱設(shè)備，但對于類似問題研究具有一定參考價值。