流延膜機(jī)負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)流場(chǎng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃棟，張華偉，殷術(shù)貴，郭偉科，Christian BEINERT，張春華

(1.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東廣州 510070；2.弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)結(jié)構(gòu)耐久性與系統(tǒng)可靠性研究所，德國(guó)達(dá)姆施塔特 64289；3.廣東仕城塑料機(jī)械有限公司，廣東佛山 528225)

0 前言

流延薄膜是一種通過(guò)高分子聚合物熔體流延驟冷生產(chǎn)出的無(wú)拉伸、非定向平擠薄膜，因其具有高透明度、高平整度、高光澤度、高均勻度，且易于后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品、紡織品、醫(yī)藥、日用品等的包裝。

流延膜機(jī)主要包括擠出部分、冷卻成型部分、測(cè)厚、電暈處理部分以及收卷部分。其中，冷卻成型部分主要由主冷輥、正負(fù)壓風(fēng)刀、清潔輥、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電子鎖邊裝置等組成。流延驟冷時(shí)，正壓風(fēng)刀將薄膜吹向主冷輥，同時(shí)負(fù)壓風(fēng)刀抽去薄膜與主冷輥之間的空氣以及高溫?zé)熿F，使薄膜貼附主冷輥效果更好。冷卻成型部分是薄膜生產(chǎn)的最關(guān)鍵部分，主冷輥的溫度、正負(fù)壓風(fēng)刀的風(fēng)壓風(fēng)速對(duì)薄膜的外觀性能和機(jī)械性能起著至關(guān)重要的作用。許多學(xué)者對(duì)流延膜機(jī)冷卻成型部分進(jìn)行了大量的研究。李福森等對(duì)薄膜在主冷輥上的冷卻過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了薄膜及主冷輥表面溫度的變化規(guī)律，以及薄膜冷卻速率的影響因素。李曉偉等對(duì)生產(chǎn)薄膜的傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，獲得了主冷輥內(nèi)壁溫度分布及薄膜溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。殷術(shù)貴等對(duì)主冷輥內(nèi)部冷卻水流動(dòng)情況進(jìn)行了仿真研究，獲得了主冷輥內(nèi)部流場(chǎng)，并對(duì)出水腔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。李鋼等人利用Fluent分析了流道結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)對(duì)主冷輥換熱能力的影響規(guī)律。

上述研究工作主要針對(duì)主冷輥冷卻過(guò)程及內(nèi)部流道進(jìn)行了研究，對(duì)正負(fù)壓風(fēng)刀的研究較少。而現(xiàn)有負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流通性差，薄膜生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧容易在吸風(fēng)罩內(nèi)部冷凝積聚，甚至有凝結(jié)物滴落到主冷輥上，造成生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品為廢品。為此，本文作者以流延膜機(jī)負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)為研究對(duì)象，借助CFD軟件對(duì)風(fēng)刀系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)情況進(jìn)行仿真分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)刀系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)仿真模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)如圖1所示，主要包括第一負(fù)壓腔室、第二負(fù)壓腔室、承接板、阻風(fēng)板、濾風(fēng)板和吸風(fēng)管。其中，阻風(fēng)板、承接板和濾風(fēng)板分別設(shè)置在第一負(fù)壓腔室和第二負(fù)壓腔室，用于均勻氣流及承接凝聚物，使氣流平穩(wěn)，薄膜受力均勻，避免因薄膜受力不均而導(dǎo)致薄膜變形。第一負(fù)壓腔室負(fù)責(zé)吸走主冷輥與薄膜之間的空氣和煙霧，第二負(fù)壓腔室進(jìn)一步吸走主冷輥表面的氣流層，同時(shí)起到清潔輥面的作用。在薄膜生產(chǎn)過(guò)程中，煙霧凝結(jié)、滴油現(xiàn)象主要發(fā)生在第一負(fù)壓腔室，因此主要對(duì)負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)第一負(fù)壓腔室的流場(chǎng)進(jìn)行分析。負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)第一負(fù)壓腔室仿真模型如圖2所示。

圖1 負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 仿真模型示意

由于負(fù)壓腔室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了降低網(wǎng)格數(shù)量，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指?，?duì)不同部位采用不同的網(wǎng)格類(lèi)型進(jìn)行劃分。吸風(fēng)管部分結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；腔室內(nèi)部結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且對(duì)腔室內(nèi)尺寸較小部分和入口區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律，其控制方程如下：

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：為密度；為時(shí)間；、、是速度在、、方向上的分量。

(2)動(dòng)量守恒方程

(2)

式中：為速度矢量；為流體微元體上的壓力；、和是作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力的分量；、和是微元體上的體力。

采用有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，為湍動(dòng)能，為湍流耗散率；采用Simple算法對(duì)壓力與速度進(jìn)行耦合，其中壓力的離散采用Standard格式，其余采用二階迎風(fēng)格式。當(dāng)各計(jì)算變量殘差小于10或者基本不變時(shí)，則認(rèn)為計(jì)算收斂。邊界條件主要是進(jìn)口、出口和固體壁面條件。其中熔融物流延至主冷輥的間隙和負(fù)壓腔室兩端與主冷輥形成的間隙為壓力進(jìn)口邊界，大小為大氣壓，如圖2所示。吸風(fēng)管出口為壓力出口邊界，吸風(fēng)管出口最終連接著排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)的抽吸使吸風(fēng)管出口處在負(fù)壓環(huán)境下，其值根據(jù)風(fēng)機(jī)功率及對(duì)整個(gè)吸風(fēng)系統(tǒng)仿真計(jì)算獲得，具體為-60 Pa。壁面邊界條件為無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)采取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真得到了第一負(fù)壓腔室內(nèi)的流場(chǎng)情況，圖4和圖5分別給出了負(fù)壓腔室內(nèi)空氣流線圖和局部流線圖?？煽吹剑河捎诔薪影宓拇嬖?，氣流被吸入負(fù)壓腔室后不能順暢地流走，而是先往兩側(cè)流動(dòng)，并與旁邊的氣流碰撞匯合形成漩渦，然后旋轉(zhuǎn)向上流出。圖6給出了負(fù)壓腔室內(nèi)中間截面處的速度矢量圖，可以看出：氣流在承接板和阻風(fēng)板處流動(dòng)方向發(fā)生較大角度改變，產(chǎn)生漩渦，不利于空氣和煙霧的快速排出，容易導(dǎo)致煙霧凝結(jié)。

圖4 負(fù)壓腔室內(nèi)部流線圖

圖5 負(fù)壓腔室內(nèi)局部流線圖

圖6 負(fù)壓腔室中間截面速度矢量圖

圖7給出了煙霧進(jìn)口處速度沿軸向方向的變化情況?？梢钥吹剑贺?fù)壓腔室兩端受邊界的影響，入口速度較小并迅速增大；中部穩(wěn)定段(-1～1 m)入口速度在16.5～21.5 m/s間劇烈變化。標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)據(jù)集的離散程度，為了衡量穩(wěn)定段入口速度的均勻程度，引用標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下：

圖7 優(yōu)化前后進(jìn)口速度沿軸向方向的變化

(3)

綜上所述，阻風(fēng)板和承接板的均勻氣流效果不佳，反而增加了第一負(fù)壓腔室內(nèi)的流動(dòng)阻力，阻礙了氣流的快速排出，導(dǎo)致煙霧在腔室內(nèi)逐漸積聚凝結(jié)。

3 負(fù)壓腔室結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真研究

3.1 負(fù)壓腔室初始優(yōu)化方案

由上節(jié)研究發(fā)現(xiàn)：阻風(fēng)板的存在，導(dǎo)致氣流方向發(fā)生大角度改變，不利于氣流的快速排出。因此，提出去掉阻風(fēng)板的初始優(yōu)化方案，以改善第一負(fù)壓腔室內(nèi)的流動(dòng)情況。初始優(yōu)化方案如圖8所示。

圖8 負(fù)壓腔室初始優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意

優(yōu)化后第一負(fù)壓腔室內(nèi)空氣流線圖和局部流線圖分別如圖9和圖10所示?？梢钥闯觯呵皇覂?nèi)上部氣流流動(dòng)性有所改善，但是腔室下部仍有漩渦存在。圖11是腔室內(nèi)中間截面處的速度矢量圖，氣流在承接板下方先向兩側(cè)流動(dòng)再向上流動(dòng)，紊流程度較高，不利于氣流的排出。

圖9 初始優(yōu)化后負(fù)壓腔室內(nèi)部流線

圖10 初始優(yōu)化后負(fù)壓腔室內(nèi)局部流線

圖11 初始優(yōu)化后負(fù)壓腔室中間截面速度矢量圖

圖7給出了煙霧進(jìn)口處速度沿軸向方向的變化情況?？梢钥吹剑喝肟谥胁糠€(wěn)定段(-1～1 m)速度變化較原結(jié)構(gòu)有所改善，入口速度在20.1～22.6 m/s之間變化，入口速度標(biāo)準(zhǔn)差為0.4，比原結(jié)構(gòu)降低了57%，速度分布均勻性提高明顯。此時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量流量為0.159 kg/s，較初始結(jié)構(gòu)提高了15.2%。

3.2 負(fù)壓腔室結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化

從圖10看出：去掉阻風(fēng)板第一負(fù)壓腔室內(nèi)的氣流流動(dòng)有所改善，但在腔室下部仍存在較大的渦流。為此對(duì)腔室進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。為了減少渦流的產(chǎn)生，增大腔室下部的流通面積，將原來(lái)彎折形式的承接板改為斜板的形式。同時(shí)，將腔室頂板改成向一側(cè)傾斜，使凝結(jié)物在重力的作用下往承接板流動(dòng)，避免凝結(jié)物直接滴落在主冷輥輥面上。優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 負(fù)壓腔室進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意

優(yōu)化后第一負(fù)壓腔室內(nèi)空氣流線圖和局部流線圖分別如圖13和圖14所示?？梢钥闯觯呵皇覂?nèi)氣流流線均勻性較好，只有少量微小漩渦出現(xiàn)。圖15是腔室內(nèi)中間截面處的速度矢量圖?？梢钥吹剑呵皇覂?nèi)流通面積的增大使氣流能夠順暢地被排出，有利于減少煙霧凝結(jié)。

圖13 進(jìn)一步優(yōu)化后負(fù)壓腔室內(nèi)部流線

圖14 進(jìn)一步優(yōu)化后負(fù)壓腔室內(nèi)局部流線

圖15 進(jìn)一步優(yōu)化后負(fù)壓腔室中間截面速度矢量圖

圖7給出了煙霧進(jìn)口速度沿主冷輥軸向方向的變化情況。可以看出：入口中部穩(wěn)定段(-1～1 m)速度在26～26.9 m/s的微小區(qū)間內(nèi)變化，入口速度標(biāo)準(zhǔn)差為0.17，比原結(jié)構(gòu)降低了82%，入口速度均勻性得到大幅度提高。此時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量流量為0.177 kg/s，比初始結(jié)構(gòu)提高了28.3%。

3.3 優(yōu)化前后對(duì)比分析

表1給出了優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比，優(yōu)化后第一負(fù)壓腔室內(nèi)質(zhì)量流量由0.138 kg/s增加到0.177 kg/s，增加了28.3%，腔室的流通性得到有效提高；圖7是優(yōu)化前后進(jìn)口速度沿軸向方向變化的對(duì)比情況，入口速度穩(wěn)定段速度標(biāo)準(zhǔn)差由0.93降低到0.17，降低了82%，入口速度均勻性顯著增加，使得流延膜受力均勻，有效避免了薄膜受力不均而造成的膜變形。

表1 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)對(duì)現(xiàn)有流延膜機(jī)負(fù)壓風(fēng)刀系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)：第一負(fù)壓腔室內(nèi)用于均勻氣流的承接板和阻風(fēng)板，其均勻氣流的效果不佳，反而阻礙了氣流的快速排出，致使腔室內(nèi)產(chǎn)生漩渦，入口速度均勻性較差，不利于薄膜受力的均勻性。

(2)對(duì)第一負(fù)壓腔室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先以去掉阻風(fēng)板作為初始優(yōu)化方案，仿真分析結(jié)果顯示效果良好，相比原結(jié)構(gòu)，風(fēng)量質(zhì)量流量增大15.2%，入口速度均勻性提升了57%。

(3)為了進(jìn)一步改善第一負(fù)壓腔室內(nèi)的流動(dòng)特性，對(duì)承接板和負(fù)壓腔室頂板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，仿真分析結(jié)果顯示，風(fēng)量質(zhì)量流量較原結(jié)構(gòu)增大了28.3%，入口速度均勻性提升了82%。