基于Ansys Fluent 的吹膜旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥出風(fēng)均勻性研究

黃一帆，許豐

(廣東金明精機股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

0 引言

隨著塑料薄膜在包裝、農(nóng)業(yè)覆蓋等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，吹膜工藝作為一種主要的薄膜制備方法，已成為塑料加工行業(yè)中的關(guān)鍵工藝之一。在吹膜工藝中，氣墊輥是旋轉(zhuǎn)牽引部件中使用的一種特殊輥筒，具有中空結(jié)構(gòu)。它的主要作用是在旋轉(zhuǎn)牽引過程中支撐塑料薄膜，使其均勻地通過拉伸區(qū)域。氣墊輥被廣泛應(yīng)用于薄膜的牽引和冷卻過程，它通過向薄膜提供冷卻作用并降低薄膜與輥筒表面的摩擦作用，確保薄膜在制備過程中保持良好的平整度和物理性能。在吹膜工藝中，出風(fēng)均勻性是評估氣墊輥設(shè)計合理性的重要指標之一。不均勻的出風(fēng)會導(dǎo)致薄膜表面厚度不均、波紋等缺陷，影響薄膜的物理性能和外觀質(zhì)量。因此，研究如何提高旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥的出風(fēng)均勻性對于改善吹膜工藝的質(zhì)量和效率具有重要意義。

數(shù)值模擬方法在吹膜工藝研究中得到了廣泛應(yīng)用。通過建立吹膜工藝的數(shù)學(xué)模型，可以對氣流場、溫度場和壓力場等參數(shù)進行準確的預(yù)測和分析，為吹膜工藝的優(yōu)化提供理論支持。目前，對于旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥出風(fēng)均勻性的研究主要集中在實驗和經(jīng)驗方法上，多數(shù)依靠設(shè)計經(jīng)驗積累與實驗試錯多次修改總結(jié)，缺乏基于數(shù)值模擬的深入研究。因此，本文旨在通過Ansys Fluent 這一流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件，對吹膜旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥的出風(fēng)均勻性進行數(shù)值模擬研究，為改善吹膜工藝提供理論指導(dǎo)，通過科學(xué)設(shè)計手段拓寬氣墊輥設(shè)計思路并提升優(yōu)化設(shè)計效率。

1 研究方法

數(shù)值模擬可以提供詳盡的流場信息，包括速度分布、壓力分布、溫度分布等，幫助我們深入了解氣墊輥內(nèi)部的流動行為。通過數(shù)值模擬仿真結(jié)果分析對氣墊輥的設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，能夠改善出風(fēng)均勻性，并優(yōu)化吹膜工藝的質(zhì)量和效率。我們可以通過調(diào)整氣墊輥的出風(fēng)口尺寸、氣流速度、進氣方向等設(shè)計參數(shù)，來模擬不同工藝條件下的氣墊輥流動行為。通過數(shù)值模擬的結(jié)果，我們能夠直觀地觀察到流動的變化趨勢，并準確評估出風(fēng)均勻性的改善程度。這種基于數(shù)值模擬的設(shè)計方法可以大大縮短設(shè)計周期，并降低實驗成本，為氣墊輥的優(yōu)化設(shè)計提供高效可靠的手段。此外，數(shù)值模擬還可以進行參數(shù)敏感性分析，通過改變不同設(shè)計參數(shù)的數(shù)值，評估其對出風(fēng)均勻性的影響程度。通過這種方式，我們可以確定關(guān)鍵參數(shù)，并找到最佳的設(shè)計組合，以實現(xiàn)出風(fēng)均勻性的最優(yōu)化。

綜上所述，數(shù)值模擬在氣墊輥設(shè)計中具有重要的作用。它能夠提供詳盡的流場信息，指導(dǎo)氣墊輥設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，并幫助改善出風(fēng)均勻性，提高吹膜工藝的質(zhì)量和效率。通過數(shù)值模擬，我們能夠更好地理解和優(yōu)化氣墊輥的設(shè)計，為吹膜工藝的改進提供有力的理論支持和指導(dǎo)。

本研究采用了基于計算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬方法。通過對Navier-Stokes 方程、能量方程和湍流模型等進行離散化和數(shù)值求解，可以模擬出旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥內(nèi)部的流動行為。該仿真算例采用了基于有限體積法的數(shù)值求解方法。通過將計算域劃分為網(wǎng)格單元，對流動方程和能量方程進行離散化，并采用迭代算法求解，得到數(shù)值模擬結(jié)果。模擬分析流程如圖1 所示。

圖1 模擬分析流程

1.1 幾何模型建立

在數(shù)值模擬中，幾何模型的建立需要考慮氣墊輥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部流場的相互作用。輥外側(cè)區(qū)域為外部環(huán)境流體區(qū)域，忽略風(fēng)機管道長度影響?？諝庥蓺鈮|輥兩端進入位于氣墊輥中心位置的中心管，并通過多個均勻分布的均風(fēng)孔將氣流均勻地引入到氣墊輥內(nèi)部，隨后從氣墊輥上細孔排出。簡化后結(jié)合實際工況使用三維建模軟件建立旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥的幾何模型，考慮到該案例中兩端進風(fēng)的大輥面若采用常規(guī)中心管均風(fēng)孔等距均分設(shè)計存在中間風(fēng)量偏小的問題，該中心管設(shè)計為兩端小孔徑大孔距，中間大孔徑小孔距，如圖2 所示。

圖2 幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

針對旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥的幾何模型，進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格生成，以確保模擬結(jié)果的準確性和可靠性。結(jié)合該氣墊輥幾何模型，使用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，在細孔區(qū)域使用高密度網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置為0.5mm，保證細孔區(qū)域的網(wǎng)格精度，空腔區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大以提高計算效率。該模擬仿真進行了網(wǎng)格獨立性分析，本文中采用網(wǎng)格密度滿足網(wǎng)格獨立性。

流體區(qū)域網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.926 853，數(shù)值越接近1，網(wǎng)格質(zhì)量越高，該網(wǎng)格質(zhì)量符合算例網(wǎng)格質(zhì)量要求。

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量

1.3 邊界條件設(shè)置

設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，根據(jù)實際情況，設(shè)置旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥內(nèi)部和外部的邊界條件，包括入口速度、出口壓力等。將供應(yīng)商提供的風(fēng)機參數(shù)曲線如圖4 所示轉(zhuǎn)化為輸入?yún)?shù)，完善入口處風(fēng)機設(shè)置，定義氣墊輥兩端入口。將出口邊界條件設(shè)置為大氣壓，模擬氣墊輥中空氣排出到環(huán)境中。

圖4 風(fēng)機曲線

完成算例設(shè)置后進行迭代計算直至結(jié)果收斂，得到模擬仿真結(jié)果。

2 模擬仿真結(jié)果分析

由模擬仿真結(jié)果可以看出流體區(qū)域速度分布與預(yù)期一致，在中心管處由兩端向中心風(fēng)速有所減小，空氣通過中心管上的分配孔加速進入氣墊輥腔體建立內(nèi)壓再由氣墊輥上細孔排出。流體區(qū)域速度云圖如圖5所示，XY截面速度云圖如圖6 所示，細孔出口處風(fēng)速曲線如圖7 所示。

圖5 流體區(qū)域速度云圖

圖6 XY 截面速度云圖

圖7 細孔出口處風(fēng)速曲線

圖 8 氣墊輥兩端入口處壓力

在距離出風(fēng)細孔5 mm 處劃線取值，查看各細孔風(fēng)速曲線如圖7 所示，平均風(fēng)速31.8 m/s, 風(fēng)速偏差約10%，且無明顯大周期趨勢變化，氣墊輥出風(fēng)情況滿足使用要求。

氣墊輥兩端入口處壓力如上圖8 所示，與選型風(fēng)機靜壓參數(shù)進行對比，結(jié)合氣墊輥細孔出口風(fēng)速判斷可知，風(fēng)機選型合理。風(fēng)機在克服系統(tǒng)靜壓后提供動壓滿足使用要求。

3 結(jié)論與展望

本研究基于Ansys Fluent 軟件，通過數(shù)值模擬方法研究了吹膜旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥的出風(fēng)均勻性。通過模擬結(jié)果的分析，得出了對氣墊輥設(shè)計和優(yōu)化的一些有益指導(dǎo)，為吹膜工藝的改進提供了理論支持。在該仿真案例中，通過中心管設(shè)計兩端小孔徑大孔距，中間大孔徑小孔距，對空氣在氣墊輥內(nèi)部分配經(jīng)過模擬仿真驗證，氣墊輥出風(fēng)風(fēng)速及均勻性滿足使用要求。在兩端進風(fēng)的大輥面氣墊輥設(shè)計中，中心管的均風(fēng)孔位置設(shè)計尤為重要，通過中心管均風(fēng)孔的設(shè)計和布局，可以實現(xiàn)氣墊輥內(nèi)部的氣流均勻分布。

均風(fēng)孔的合理設(shè)計可以確保氣流從中心管均勻地噴出，并在整個氣墊輥表面形成均勻的出風(fēng)流場。這對于薄膜的牽引和冷卻過程至關(guān)重要，能夠有效減小薄膜表面的厚度變化和波紋等不均勻性。

中心管均風(fēng)孔的直徑、數(shù)量和布局都對出風(fēng)均勻性產(chǎn)生影響。較小的孔徑和適當(dāng)?shù)臄?shù)量可以提供較高的氣流速度和均勻的出風(fēng)分布，從而改善出風(fēng)均勻性。此外，合理的布局可以使氣流覆蓋整個氣墊輥表面，減小氣流速度和壓力的梯度，進一步提高出風(fēng)均勻性。

出風(fēng)均勻性的改善對于薄膜質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性具有重要意義。均勻的出風(fēng)能夠保持薄膜的平整度，減少厚度變化和表面缺陷，提高薄膜的物理性能和外觀質(zhì)量。同時，出風(fēng)均勻性的提高還能夠降低生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定性和浪費，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性。因此，對于氣墊輥設(shè)計中心管均風(fēng)孔時，需要考慮孔徑、數(shù)量和布局等因素，以確保出風(fēng)均勻性的最優(yōu)化。通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，中心管均風(fēng)孔可以有效改善氣墊輥的出風(fēng)均勻性，提高吹膜工藝的質(zhì)量和效率。

本研究還存在一些局限性，對氣墊輥表面細孔分布的多樣性，需要進一步的模擬驗證及研究改進。未來的研究可以進一步拓展數(shù)值模擬的范圍和精度，探究多種中心管設(shè)計與氣墊輥細孔排列的組合效果結(jié)合實驗驗證，探究更多設(shè)計參數(shù)對旋轉(zhuǎn)牽引氣墊輥出風(fēng)均勻性的影響，提出更具實際應(yīng)用價值的優(yōu)化方案。