基于Fluent的某卷煙機(jī)搭口膠槍噴嘴流體仿真分析

徐健煒 王 娜廖 宇 劉興海

1.武漢大學(xué) 圖像傳播與印刷包裝 研究中心 湖北 武漢 430079

2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430030

1 研究背景

1975年我國引進(jìn)首臺MOLINSPA-9卷煙機(jī)，卷煙廠開始使用人工合成的聚合物乳液，實(shí)現(xiàn)配套用膠的國產(chǎn)化。初代卷煙膠為白乳膠，學(xué)名為聚乙酸乙烯酯（polyvinyl acetate，PVAC）乳液膠黏劑。其是通過乙酸乙烯單體聚合制得，具有無毒、無腐蝕性、膠合強(qiáng)度高、黏度大，以及不容易發(fā)生透膠等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛使用的搭口膠為EVA乳液。水基膠在上機(jī)使用過程中會出現(xiàn)各種問題，如膠飛濺、噴膠量不均勻、噴嘴易堵塞等，如表1所示。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，卷煙機(jī)的生產(chǎn)速度已超過1萬支/min，因此，噴涂搭口膠時出口黏度及出口流速已不能滿足高速卷接包設(shè)備的要求。

表1 水基膠使用中常見問題及解決方法Table 1 Common problems and solutions in the use of water-based adhesives

為分析搭口膠在噴槍內(nèi)的實(shí)際流動情況，學(xué)者們采用有限體積元法模擬三維膠槍噴射膠黏劑的過程，并取得了較好的模擬效果。有限體積元法是利用微分方程對控制流體流動進(jìn)行數(shù)值求解，獲得流體流動離散布局。該布局主要指位于連續(xù)范圍內(nèi)的離散分布，由此得到類似于實(shí)際流體的流動狀況[1]。計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)理論法和實(shí)驗(yàn)法所存在的不足。He C.X.等[2]利用大渦模擬方法（large-eddy simulation，LES）研究了不同結(jié)構(gòu)和溫度對葉狀噴管射流的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與LES模擬結(jié)果吻合，證明了數(shù)值模擬方法的可行性。Huang C.C.等[3]利用 CFD 方法研究了拉瓦爾管中流體在亞音速甚至超音速條件下整個流場系統(tǒng)溫度和能量的變化。

綜上，為研究搭口膠的上機(jī)適性問題，本課題組先在某煙廠調(diào)研，得到煙用水基膠的噴槍數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建噴槍模型，并用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真，通過改變搭口膠噴嘴的進(jìn)口壓力分析出口黏度和出口流速的變化，以期改善搭口膠的噴涂工藝。

2 流體仿真

先用Solid Works軟件搭建膠槍噴嘴模型；然后用ICEM CFD軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成邊界層網(wǎng)格、面網(wǎng)格、線網(wǎng)格等，以使仿真結(jié)果更接近真實(shí)值；最后用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真，自定義流體材料為EVA乳膠，運(yùn)用層流模型對搭口膠噴涂的整個過程進(jìn)行流體仿真[4]。對噴嘴噴射膠黏劑的過程進(jìn)行計(jì)算，能夠觀察到整個流場的細(xì)節(jié)，如流場的形成與傳播，溫度、壓力、流速等隨著時間變化的具體情況等。

2.1 膠槍噴嘴模型

通過實(shí)地調(diào)查和測量，得到膠槍噴嘴尺寸，進(jìn)而用Solid Works軟件搭建膠槍噴嘴模型。膠槍噴嘴模型如圖1所示。

圖1 噴嘴模型Fig.1 Model of nozzle

2.2 網(wǎng)格劃分

在ICEM CFD軟件中，利用四叉樹、八叉樹法將模型直接劃分成四面體網(wǎng)格。此方法不必顧及相鄰兩個單元之間存在相容性與相交性等問題[5]，因而生成網(wǎng)格效率比較高，生成的網(wǎng)格如圖2所示。網(wǎng)格質(zhì)量均值為0.8285，滿足CFD要求。

圖2 模型網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The meshed model

2.3 流體黏度模型

搭口膠為改性的EVA乳液，是典型的假塑性流體。選用合適的流體黏度模型對于研究假塑性流體的流動性十分重要。假塑性流體具有剪切變稀特性，即該流體的切應(yīng)力τ與剪切速率γ呈非線性關(guān)系。根據(jù)冪律模型以及牛頓流體定律，假塑性流體的表觀黏度ηa為

式中：K為稠度系數(shù)；

n為流變指數(shù)。

利用流變儀（Marvern Kinexus pro+）測試搭口膠在不同剪切速率條件（0.1～1000 s-1）下的黏度、切應(yīng)力以及切應(yīng)變，再利用MATLAB軟件對應(yīng)力、應(yīng)變值進(jìn)行數(shù)值擬合（見圖3），并獲得擬合方程。R2約為0.998，說明擬合的程度很好。

圖3 切應(yīng)力與剪切速率的流變曲線與擬合曲線Fig.3 Flow curve and fitting curve of shear stress τ and shear rate γ

由圖3可知，擬合曲線滿足式（1），符合冪律模型。將τ、γ代入式（1）中，得到稠度系數(shù)K為4.19 Pa·sn，流變指數(shù)n為0.78。表觀黏度與剪切速率的關(guān)系式為

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13354—1992 《液體膠黏劑密度的測定方法 重量杯法》，采用重量杯法測試搭口膠密度，測得搭口膠密度為0.948 g/cm3。在Fluent中創(chuàng)建流體材料，并輸入上述參數(shù)。

2.4 邊界條件

進(jìn)口邊界條件為壓力出口，進(jìn)口壓力設(shè)定為100,110, 120, 130, 140, 150 kPa。邊界條件均采用自由邊界條件。流動液體定義為假塑性流體、EVA乳液、不可壓縮性流體，密度ρ為 0.948 g/cm3，初始（最大）黏度為268.2 mPa·s[6]。溶液流動時，考慮重力，即在y方向上有9.8 m·s-2的加速度，不考慮噴頭內(nèi)壁和溶液流體兩者之間所產(chǎn)生的摩擦力，假設(shè)噴頭壁面不存滑移情況[7]。

2.5 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過Fluent仿真模擬后發(fā)現(xiàn)，不同進(jìn)口壓力條件下膠槍噴嘴的表觀黏度分布云圖較為相似。因此，本研究僅以進(jìn)口壓力為110 kPa和120 kPa的為例（見圖4）。從圖4可以看出，膠槍噴嘴的表觀黏度在接近出口位置時才發(fā)生較大變化。

圖4 不同進(jìn)口壓力的黏度分布云圖Fig.4 Cloud diagram of viscosity distribution at different inlet pressures

不同進(jìn)口壓力下假塑性流體的表觀黏度和出口流速變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，隨著進(jìn)口壓力的增大，出口表觀黏度減小，出口流速增加。噴涂過程中搭口膠受剪切作用，出口表觀黏度會變小。出口黏度越小，則噴涂越均勻。改變進(jìn)口壓力可以降低搭口膠的出口表觀粘度，從而適配更快的卷接包速度。此外，受壓力作用，流體速度也會發(fā)生變化，在相同時間內(nèi)，出口流速越快，涂膠量則越多[8]。

圖5 不同進(jìn)口壓力下出口黏度和出口流速的變化情況Fig.5 Trends in outlet viscosity and outlet velocity with inlet pressure

3 性能測試

黏結(jié)力是膠黏劑與被粘物表面形成的結(jié)合力。為分析不同進(jìn)口壓力下膠膜厚度與黏接性能的關(guān)系，本研究對搭口膠膠液的初黏性與抗T型剝離強(qiáng)度進(jìn)行了測試。

3.1 初黏性測試方法

初黏強(qiáng)度是指物體與膠黏劑的黏性面之間通過較小的壓力進(jìn)行短時間接觸時，膠黏劑對物體的黏附力。初黏性能測試通常采用斜面滾球法，即把一鋼球滾過平鋪在傾斜板上的膠黏劑黏性面，根據(jù)粘住的最大鋼球尺寸，評測膠黏劑的初黏性[9]。

測試環(huán)境與卷煙車間的生產(chǎn)環(huán)境一致，即溫度為(25±2) ℃，相對濕度為65% ± 2%。檢測步驟如下：

1）在實(shí)驗(yàn)臺上安裝初黏性測試儀（CZY-G型，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司），如圖6所示，并調(diào)整至水平狀態(tài)，然后調(diào)整玻璃面傾斜到15°，并將角度鎖緊固定。

圖6 初黏性測定實(shí)驗(yàn)Fig.6 Initial viscosity tester

2）將卷煙紙裁剪成大小為20 cm×2 cm的紙條，并放置在實(shí)驗(yàn)臺上，用塑料吸管汲取約10滴膠黏劑，并以線條狀滴加在紙條的左側(cè)距邊緣大約2 cm位置處，再用小型涂覆機(jī)（MSK-AFA-IIID型，合肥科晶材料技術(shù)有限公司）自左向右進(jìn)行均速刮涂，得到具有一定厚度的膠液膜[10]。

3）將涂好膠液膜的檢測樣品平移到測試儀的玻璃面板上并貼平，調(diào)整放球器，使其頂端和膠液膜上端緣接觸，用鑷子夾住不同球號的鋼球放入放球器中，按下放球器打開手柄，鋼球從檢測紙樣條黏性面滾下去。

4）確定能粘住的最大球號鋼球，以鋼球的滾動距離與球號作為初黏性測試結(jié)果。每種膠樣測試10次，根據(jù)正態(tài)分布得到平均值，并作為膠樣的初黏性。若能粘住的最大球號鋼球不同時，鋼球的球號（直徑）越大，搭口膠的初黏性越強(qiáng)。在相同球號下，滾動距離越短，初黏性越強(qiáng)。

3.2 抗T型剝離強(qiáng)度測試方法

剝離強(qiáng)度是指黏合在一起的材料從接觸面進(jìn)行單位寬度剝離時所需的最大破壞載荷。其能夠體現(xiàn)材料的黏結(jié)強(qiáng)度。在抗T型剝離強(qiáng)度測試中，施加的破壞力垂直于膠接面，剝離角度為180°。檢測樣品兩邊都屬于柔性材料，可以按照GB/T 2791—1995《膠黏劑T型剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法 撓性材料對撓性材料》相關(guān)規(guī)定對搭口膠粘接后的卷煙紙進(jìn)行抗T型剝離強(qiáng)度測試，測試步驟如下：

1）將干凈平整的檢測用紙裁剪為20 cm×2 cm的紙條。裁剪過程中不能對紙張邊緣進(jìn)行折損。

2）用紙巾或者抹布將玻璃平板擦拭干凈，并水平固定好。將裁剪好的紙條平鋪在玻璃板上，然后在紙條的一端距離5 cm處開始滴加適量的膠樣，用小型涂覆機(jī)進(jìn)行均勻刮涂，得到厚度分別為0.25, 0.50,0.75, 1.00 mm 的膠膜。

3）立即在膠膜表面覆蓋一張紙條。覆蓋時，邊緣要對齊，不能在涂膠處用力擠壓。將制作好的樣品放置于平整表面上，并在其上面施加一塊質(zhì)量約為200 g 的鋼板，室溫下固化 4 h[11]。

4）將樣品的兩個空白紙條分別夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)（3340系列，英斯特朗（上海）實(shí)驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司）的上、下夾具上，從而使樣品受到的剝離力與膠接面垂直（見圖7）。以30 mm/min的拉伸速度給膠接面施加荷載，一直到紙片被撕斷，或者膠層遭受破壞才停止實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)束后，智能拉伸試驗(yàn)機(jī)會自動顯示和記錄此剝離力大小。每種樣條測試 10 組取平均值。

圖7 抗T型剝離強(qiáng)度測試的試樣夾持示意圖Fig.7 Schematic diagram of specimen clamping for T-peel resistance test

3.3 測試結(jié)果

3.3.1 初黏性測試結(jié)果

采用斜面滾球法對不同進(jìn)口壓力下的搭口膠膠樣進(jìn)行初黏性測試，測試結(jié)果如圖8所示。本實(shí)驗(yàn)?zāi)苷匙〉淖畲筇栦撉蚓鶠?號鋼球。未處理膠液為未上機(jī)前的搭口膠，初始表觀黏度為268.2 mPa·s。由圖8可知，不同進(jìn)口壓力下的搭口膠初黏性與未處理膠液相比有所降低；隨著膠膜厚度的增加，搭口膠的初黏性有一定程度的增加；隨著進(jìn)口壓力的增加，搭口膠的初黏性呈下降趨勢?？傊?，進(jìn)口壓力的增加會使出口黏度下降、流動性更好，但是黏度的降低會導(dǎo)致搭口膠初黏性下降[12]。

圖8 初黏性測試結(jié)果Fig.8 Initial viscosity test results

3.3.2 抗T型剝離強(qiáng)度測試結(jié)果

按照GB/T 2791—1995，測試剝離強(qiáng)度時剝離長度為30 mm。樣品的剝離強(qiáng)度與膠膜厚度的關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，不同進(jìn)口壓力下的搭口膠比未處理膠液的抗T型剝離強(qiáng)度??；隨著膠膜厚度的增加，搭口膠的抗T性剝離強(qiáng)度會有一定程度的增加；隨著進(jìn)口壓力的增加，搭口膠的抗T型剝離強(qiáng)度總體變化不明顯?？梢姡M(jìn)口壓力的增加對搭口膠抗T型剝離強(qiáng)度的影響不大。綜合考慮兩個結(jié)果，搭口膠的黏結(jié)性能隨著進(jìn)口壓力的增加而降低。

圖9 抗T型剝離強(qiáng)度測試結(jié)果圖Fig.9 Test results of T-peel resistance

4 結(jié)論

本研究根據(jù)搭口膠的涂膠工藝特點(diǎn)與相關(guān)要求，通過有限體積元法對流體流動進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：出口表觀黏度隨著進(jìn)口壓力的增大而變??；隨著出口表觀黏度的降低，搭口膠在噴涂過程中的流動性也會更好。出口表觀黏度的降低會導(dǎo)致搭口膠的黏結(jié)性能有一定程度的降低?；谏鲜鼋Y(jié)論，卷煙廠可以根據(jù)生產(chǎn)要求如生產(chǎn)速度和黏度選擇合適的進(jìn)口壓力。調(diào)整噴嘴的進(jìn)口壓力可改變膠液的出口表觀黏度和涂膠厚度，能夠有效地解決高速機(jī)搭口膠噴涂過程中出現(xiàn)的涂膠不均勻等問題。本研究對煙用水基膠的上機(jī)適性研究具有一定的參考作用，為卷煙生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供了一定的理論參考。