基于CFD的铝箔碎屑收集负压管设计

王广林，刘 跃，李会荣，管小荣

(1.陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西 西安 710300)(2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

近年来，国内铝箔生产设备已从早期的单纯进口、仿造逐步实现自主升级、改进，并掌握了更多的核心技术及原创性技术[1]。查阅文献可知，国内学者对铝箔生产工艺及设备改进做了大量研究，并获得许多有价值的成果。如对铝箔线性针孔缺陷成因的分析[2]、亲水铝合金箔材切边余量的优化控制[3]等。在铝箔生产设备的优化设计方面，彭凤鸟等[4]对铝箔轧机的套筒返回装置进行了技术改造；李连军等[5]对粗中箔轧机新型开卷机液压系统进行了设计分析；门转平[6]对铝箔轧机主要设备配置进行了计算分析；李会荣等[7]对亲水铝箔涂层线水冷辊结果进行了优化改进。这些成果对提高铝箔生产质量及设备生产效率起到了良好的促进作用。

由以上研究成果可知，目前针对铝箔生产开卷及卷取设备的优化较多，而针对剪切部分的优化相对较少，且优化大多针对碟形刀及刀座部分[8-9]。铝箔剪切机是将宽幅铝箔裁剪成需要尺寸产品的重要设备，由于铝箔比较轻薄，在裁剪过程中不可避免会产生碎屑，目前大多数设备采用停机的方式来进行清理，严重影响了剪切机的工作效率和铝箔剪切质量。在工程应用中，负压管被广泛应用于泵类、风机等气流输送系统[10-11]。本文拟采用高压风机与管路结合的方式设计一种简易的铝箔剪切机碎屑收集系统。风机有抽风与送风两种工作形式[12]，考虑到使用抽风形式风机时需要额外设计碎屑分离装置，会增大设计难度与成本，因此本文采用高压送风机结合管路的方法设计碎屑收集装置。

在研究方法方面，本文借助目前工程中常用的计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)方法[13-15]。CFD方法对比于理论分析和实验，具有可完整重现流场细节、节约研发成本的优点[16]。本文在对数值模型进行验证的基础上，使用CFD方法计算不同管路结构的压力-速度耦合流场，通过对物理量云图对比及支管进口处气流速度量化值的比较获得有利于气流输运的结构形式，并最终给出文中计算条件下最优化的铝箔碎屑负压收集管结构设计方法。

1 数学模型

本文中设定气体流动马赫数Ma<0.4，可认为是不可压缩气体，因此求解黏性不可压流体方程组，其矢量形式如下[17]：

(1)

式中：v为速度矢量，·v为散度计算，具体含义为为密度；t为时间；f为体积力；p为压力；μ为黏度。该方程组中，未知量p和v的3个分量共4个标量，而分解方程也为4个，因此方程组是封闭的。

2 计算模型及数值方法

图1(a)给出的是为铝箔剪切机设计的简易碎屑收集负压管初步样品图，管内负压由高压离心通风机提供，平均流量为0.267 m3/s。负压管路由主管和支管组成，整体为轴对称图形，因此数值计算时可只取中心截面简化为二维计算，样品设计尺寸及局部网格示意在图1(b)中给出。计算区域均采用分块结构网格，为正确计算剪切力及压力，在近壁处进行加密处理。

图1 铝箔收集负压管及计算网格

在边界条件设置方面，管路进口处设为速度进口边界，根据通风机流量及管路直径设定v=(49.37，0，0)，单位为m/s，出口处设为压力出口，支路设为压力进口，壁面设为无滑移边界。此外，对方程组的离散采用有限体积法，压力速度耦合选用PISO算法，对流项及湍流离散均采用二阶精度[18]。

3 模型验证

本文主要关注管路中的压力和速度分布，因此模型验证采用可用连续方程理论计算的简单管路，图2给出的是模型验证采用的管路模型及二维计算域。模型验证时求解的流体力学方程组，采用的数值方法、网格划分方法以及进出口直径、进口处速度均与实际计算保持一致。

图2 管路计算模型及计算域

图3(a)给出了计算得到的管内压力分布，可以看到中间管路尺寸变窄时，气流加速、压力下降的过程，图3(b)给出了监测的出口截面平均速度随迭代步数变化值，可以看到随着迭代步数增多，计算趋于收敛，速度值稳定在49.37 m/s，与相同直径下的进口速度一致，这很好地符合了求解的连续方程，同时也简单证明了模型的可靠性。

图3 压力云图及出口速度

4 结果分析

本文首先探讨4种管路结构对气流输送的影响规律(如图4所示)，为了描述简便，将4种支路结构命名为P1、P2、P3、P4。其中P1结构最为简单，支路与主路垂直相交；P2为支路与主路呈45°角相交；P3为支路与主路相交处倒45°圆角；P4为延长P1结构中靠近进口端长度。

图4 不同的支路结构

图5给出了4种支路结构的流场速度云图和流线图。由于管路产生负压，4种支路均为进气流，其中P1由于支路与主路垂直，气流汇入主管时阻力较大，且在进口后端生成了一个旋转方向与流向相反的涡流区域，增大了压力损失；P2、P3结构可使气流能够更平顺地汇入主管，并且没有出现反向涡流区域，通过比较可以发现P3中倒圆角的形式更利于气流输送，特别是靠近来流端，对气流有较好的导向作用；P4中延长支管长度后，气流绕过支管后迅速膨胀导致负压增大，进而使得支管气流速度明显增大，气流输送效率提高。通过对比P4和P1可知，由于P4中管路变窄气流速度增大，导致气流与壁面剪切作用增强，形成了一个较大的涡流区，同样不利于整体气流输送。

图5 不同支路结构的速度云图及流线图

本文设计的新铝箔碎屑收集负压管路结构P5如图6(b)所示。与最简单的P1结构相比，P5延长了来流端支管长度，支管与主管相交线投影呈45°圆角。

图6 负压管路新旧结构对比

图7给出了P5与P1的管路压力分布对比，可以看到由于支管延长导致后部气流膨胀后负压区域和负压值明显增大，进而导致图8中支管气流输送速度明显增大，输送效率提高，同时由于倒圆角处理，使得支管后部涡流区域比P4(图5(d)所示)直角相交时明显减小。

图7 负压管内压力分布

图8 P5管内速度分布及流线分布

图9给出了不同管路结构支路进口处的平均速度量化值比较情况，其总体特征与图5、图8云图所示一致，即倾斜支管、倒圆角对输送气流有利，P1至P3支管进口处速度逐渐增大，但趋势不明显，而延长支管的P4进口气流速度得到明显提升，在P4基础上优化的P5使得进口处速度进一步提升，达到了55.81 m/s，能较好地完成铝箔碎屑收集任务。

图9 支路进口处平均速度对比

5 结论

本文针对铝箔剪切机碎屑收集需求，设计了5种不同结构的负压管路，并使用CFD方法计算了管路结构的压力-速度耦合流场，给出了不同管路结构时的速度分布云图及流线图，并重点从支管进口处速度值对不同管路结构的气流输效率进行了对比，结果表明CFD能较好地重现负压管路内压力、速度变化特征。通过数据分析主要得到以下结论：

1)支管与主管平滑的连接方式可降低压力损失，并可改善后部的反向涡流区域，进而提高铝箔碎屑收集管风力及效率。增加支管深度后由于管内气流膨胀导致负压区域及量值增大，可明显提高气流速度。

2)文中设计的P5管路结构采用支管深入主管并倒圆角的形式，得到了最高的入口气流速度，可满足铝箔剪切机碎屑收集要求。