铝箔碎屑收集装置气流输送方式比较*

常玲玲，刘 跃

(陕西国防工业职业技术学院 计算机与软件学院，陕西 西安 710300)

0 引言

近年来，铝箔由于绿色环保、可再生等特点被广泛应用于食品、包装、电子等行业。铝箔加工生产流程较多，如涂层、烘干、冷却、分切卷取等。其中，分切卷取是将铝箔裁剪成不同尺寸以适应不同行业需求的关键流程。分切工序主要使用铝箔剪切机，通过观察可以发现，剪切机运行时不可避免地会产生碎屑，长时间的碎屑累积会明显影响铝箔分剪质量及效率[1]。早期需要剪切机经常停机来清扫碎屑，后续学者逐渐设计、改进了专门的铝箔碎屑收集装置，经过不断优化，目前碎屑收集装置可通过改变挡板结构在管内形成负压，并基本满足支管吸力均匀要求[2-4]。但现有收集装置动力输送方式比较单一，主要为在管路进口设置鼓风机，通过向管内输送气流的方式为碎屑收集提供动力。在实际气流输送方式中还有虹吸的方式，即在出口处安置鼓风机，但尚未见该方法在铝箔碎屑收集中的应用讨论，这对于提高碎屑收集装置的适用性及企业可选择性是不利的。

本文拟采用工程中常用的计算流体力学方法(Computational Fluids Dynamics，CFD)对铝箔剪切机碎屑收集装置气流输送流场进行分析[5]，重点对比送风式及吸风式管路的压力-速度分布规律，进而获得不同流动现象产生原因及不同结构对支管附近速度及吸力的影响规律，为铝箔剪切机设备改进及企业生产提供参考。

1 计算模型

1.1 几何模型

图1为铝箔剪切机及碎屑收集装置，剪切机使用碟形刀分切铝箔过程中产生的碎屑通过收集装置支管进行处理。本文计算使用的可更换动力形式的碎屑收集管路几何模型如图2所示，该方形管路主要由主管及两个支管(P1、P2)组成，主管口边长设计为90 mm，两个支管口尺寸为90 mm×40 mm。两个支管中心轴线间距为1 000 mm，P1轴线距送风口距离为280 mm，P2轴线距吸风口距离为520 mm，以适应双碟形刀位置。此外，两个支管间设置等距出口，并设置挡板，通过局部压力-速度耦合变化达到两个支管等分负压、产生相等吸力的目的。当鼓风机装于送风口时为送风式管路，气流“吹”入管内；当鼓风机安装于吸风口并安置活动挡板时为吸风式管路，这时气流为“吸”出管路。鼓风机气流输送功率参考常用工业吸尘器功率进行设置[6]，取为2.2 kW，对应气流输送量为320 m3/h。

图1 铝箔剪切机及碎屑收集装置

图2 碎屑收集管路几何模型

1.2 数值模型

三维管路数值计算网格划分如图3所示，主要为六面体结构化网格，在弯管处采用混合网格以提高网格质量。为了充分考虑壁面作用对气流流态的影响，单独划分近壁区网格，并对较关心的支管处网格进行加密处理。湍流模型使用对旋流模拟较好的RNGk-ε模型，方程离散采用二阶迎风格式[7]， 求解不可压流体N-S方程。此外，在送风式计算时，送风口设置为速度进口，吸风口为压力出口，两个支管口设置为压力进口；在吸风式计算时，吸风口设置为速度出口。

图3 三维管路数值计算网格划分 (局部)

1.3 模型验证

为了验证本文使用的数值模型在铝箔碎屑收集管路计算中的合理性，课题组设计加工出送风式管路样品，并使用钻孔方法将高精度气压传感器安置于支管口侧壁，测量了两个支管口处的压力值，得到的平均压力模拟值与实验值对比如图4所示。两个支管口处的压力模拟值分别为-21.72 Pa和-21.59 Pa，实验值分别为-20.86 Pa和-20.67 Pa，通过比较发现数值结果与实验结果误差在5%以内，说明本文使用的数值方法是可行的。

图4 支管口处的平均压力模拟值与实验值对比

2 计算结果分析

使用上述模型及参数分别对送风式和吸风式管路进行仿真计算。以送风口截面中心为坐标原点，沿吸风口方向为x正方向，沿支管向上为y正方向，垂直于xy截面为z方向。此外，根据风机功率及截面面积计算的气流初始速度为(10.97，0，0) m/s，并规定气流速度方向与坐标正负一致。

2.1 送风式管路

图5为送风式管路中心截面的压力和速度云图，可以看到进口安装鼓风机，气流“吹”入管内，初始气压为正压，气流经过共用出口挡板时，气流膨胀产生负压，同时由于两支管与共用出口距离相等，两支管负压相等；在负压作用下，支管气流流向管内，纵向速度为负，并在管口产生吸力。

图5 送风式管路中心截面压力和速度云图

图6为送风式管内特征线上(两支管之间区域，空间直线端点坐标为(288，10，0)～(1 300，10，0))压力及纵向速度量化值。由图6可以看到：呈现“负压大-速度大、负压小-速度小”的耦合特征；此外，还可以看到两支管的压力及速度呈现出对称特征，说明数值接近，这与云图规律一致。

图6 送风式管内特征线上压力及速度量化值

图7为送风式管路支管共用出口处的速度矢量图,可以看到，由于挡板采取了倒圆弧设置形式，气流得到了良好疏导，但同时也能较清晰地发现支管气流与主管气流共用运动通道会导致支管气流运动阻力增大。

图7 送风式管路共用出口处速度矢量图

2.2 吸风式管路

图8为吸风式管路中心截面压力及速度云图。由图8可以看到，由于在共用出口前加置了活动挡板，管路核心结构发生变化，管路通过支管与大气相通，因此在鼓风机作用下，管内均为负压，且两支管口负压值明显高于送风式管路，进而在两支管口生成更大的纵向速度。

图8 吸风式管路中心截面压力及速度云图

图9为吸风式管路管内特征线上(两支管之间区域，空间直线端点坐标为(288，10，0)～(1 300，10，0))压力及纵向速度量化值。由图9可以看到:共用出口及支管处宏观特征与图6送风式管路一致，均在当前等距结构下呈现出压力-速度耦合对称分布的特点；同时与图8结果类似，特征线上相同位置处的负压及速度值均大于送风式管路。

图9 吸风式管内特征线上压力及速度量化值

图10为吸风式管路两支管共用出口处的速度矢量图，可以看到主管主要被支管气流填充。

图10 吸风式管路支管共用出口处的速度矢量图

结合流体质量守恒定律及仿真结果分析可知:送风式管路出口处平均气流流量为467 m3/h、吸风式管路出口处平均气流流量为320 m3/h，说明送风式支管气流输送量为147 m3/h、吸风式支管气流输送量为320 m3/h，同时也说明了吸风式结构更有利于负压利用。

表1为送风式及吸风式管路两个支管的平均速度及平均压力。在鼓风机功率相同条件下，送风式两个支管速度值相差0.34%、负压相差0.60%；吸风式两个支管速度相差0.24%、负压相差0.46%，可见两种管路支管数据非常接近，均能较好地满足支管铝箔碎屑收集吸力均匀的要求。同时可以看到：吸风式结构负压约为送风式结构的4倍，速度约为2倍，动力优势明显。

表1 送风式和吸风式管路两支管的平均速度及平均压力

3 结论

本文使用CFD方法计算了铝箔碎屑收集装置的压力-速度耦合流场，重点分析了使用不同气流输送方式时的物理量分布特征及对支管吸力的影响规律。得出以下结论：

(1) 在等距管路中，使用送风式与吸风式动力均可满足铝箔碎屑收集时支管吸力均匀的要求。

(2) 在风机功率相同的条件下，吸风式装置支管负压值为送风式的4倍，速度为送风式的2倍，说明吸风式结构负压利用率更高，具有更高的铝箔碎屑收集效率。

(3) 在整体结构上，吸风式装置由于碎屑要经过风机，设计结构复杂度及成本要高于送风式装置，因此应根据铝箔加工需求及生产条件进行合理选择。