基于CFD仿真前处理棚体内风幕尺寸的设计

董子瑜 万秀林 胡磊

中国联合工程有限公司 浙江 杭州 310051

引言

前处理是指在涂装前彻底清洗工件表面的氧化皮、铁锈、油脂、灰尘等污物，使涂层与金属表面结合牢固、附着力强，从而提高产品质量，延长产品使用寿命。前处理分为三种：喷雾、浸液和潜泳。喷雾式处理是利用喷淋原理，使药液连续作用在工件表面，具有很强的连续性和高效率，适用于大批量作业，适用于大件、长件和结构简单的物品，且一般采用架高结构，节省地面空间，故广泛地应用在工程机械的涂装前处理中。在确保工艺技术要求、产能、通过性的前提下，处理室（前处理通道）和处理液槽体会尽可能紧凑。这样就前处理进出口的风幕变成要求很高，既能让水雾被抽走，同时风量不能过大，导致水雾被带出槽体。以尤恩叉车为例，因为调节的问题，水汽外溢到棚体外面。在使用过程中，因为结构较紧凑，风幕的调试要求较高。

受工程建设与试验条件的限制，国内外学者多采用计算机和计算流体力学技术（computational fluid dynamics，CFD）对实际工程进行研究[1]。傅宁等运用CFD软件对大棚体内部流场分布进行了仿真[2]；王光伟等运用三维不可压缩湍流模型对不同形式的大棚流场流态进行研究[3]；陆小伟对不同形式大棚流场进行仿真，计算了换气时间[4]；陈加浪等运用CFD仿真，研究了华东地区单栋大棚在高温低风速极端环境下的自然通风特性，并进行了验证[5]。

采用CFD模拟方法可以准确地计算和分析前处理棚内流场分布和外部环境对棚内流场的影响。本研究针对我所做的某一个实际工程，利用计算流体动力学软件Fluent建立了前处理棚体的三维仿真模型，对不同风幕尺寸和边界条件进行流场仿真，分析不同风幕尺寸下风幕的实际效果，为前处理棚体内风幕的设计提供设计参考。

1 仿真模型

1.1 理论基础

1.1.1 控制方程。为简化分析，假设工作状态下前处理棚体内空气流动为定长不可压缩牛顿流，流体在流动过程中遵守基于雷诺时均的黏性不可压缩Navier-Srokes方程。方程表达式为：

1.1.2 湍流模型。Fluent提供多种湍流模型可供选择。本研究结合前处理棚体内的流场实际情况，选取标准模型，实际应用表明，该模型收敛速度快精度高[6]。

1.2 几何模型

以尤恩叉车结构线前处理棚体为基础对象构建三维模型，基本参数为：棚体全长21m，宽2.64m，高3.25m，风幕对称布置，单个风幕长0.2m，宽0.5m，高2.1m。为了简化计算过程，只对风幕进行研究[7]。为了减少边界条件设定对模拟计算的不利影响，增加了计算面积。

2 网格划分及边界条件

2.1 网格划分

利用 Fluent模块 Gambit建立了流场区三维模型，将整个流场区域划分成六面体网格，得到了1745762个网格。

2.2 边界条件的设置

风幕入口装置内主要设为80%的水汽和20%的空气，考虑到模型简化，在入口面设定质量流量为0.01kg/s的水汽，保持空间的相对稳定。零件出口设置为自由流动，观察水汽的流动。

主要是观察零件出口面的水汽速度矢量方向来判断水汽是外溢还是被风幕抽回排出。改变风幕尺寸来观察出口面上水汽的流向[8]。

3 仿真不同结果模拟

3.1 不设置风幕的模拟

在fluent中，把上图中风幕设置为墙面，使其不具有排风功能，观察出口面水汽速度矢量方向。如图1所示；入口和装置内的水汽受出口面的影响，从水汽的速度方向上看，在没有风幕的情况下，大量水汽都是向外溢出。

图1 无风幕模拟的速度矢量图

3.2 不同风幕尺寸的模拟

根据图纸1∶1建立相同尺寸的风幕进行模拟，同样入口和零件出来设置相同的模型和参数，增加风幕为出口，设置其为质量流量出口，参数根据给定体积流量3600m3/h转化为质量流量0.6kg/s。

如图2所示为速度云图和速度矢量图。当开设风幕后，设置质量流量出口，则会对零件出口面有影响，从图2中看出，风幕出的流速快，而且零件出口上的水汽都受风幕的影响，从零件出口面上的水汽速度矢量方向上看，可以清晰看出水汽大量流向装置内部，外溢的量明显很小。

图2 原尺寸风幕模拟局部速度矢量

3.3 每个风幕在原尺寸高度缩减200mm

如图3所示，该尺寸风幕下模拟的结果。可以看出风幕向外排气，零件出口面受风幕影响，在其周围水汽大量向风幕流动，外溢的量有所减少。

图3 原尺寸高度缩减200mm模型模拟

3.4 每个风幕在原尺寸高度缩减300mm

如图4所示。在该模型下的速度矢量图。图4为零件出口面最下方的局部图，受风幕影响，可以看出水汽的速度方向向内，外溢量小。

图4 原尺寸高度缩减300mm模型模拟局部图

3.5 每个风幕在原尺寸高度缩减400mm

如图5所示；在该模型下的速度矢量图。从图中可以看出，水汽还是向内部流动，外泄量相对还是较小。

图5 原尺寸高度缩减400mm模型模拟局部图

4 结束语

综上所述，在不设风幕的情况下水汽会大量的外溢到棚体之外，模拟的结果和实际发生的情况是相符的。由此可见，用fluent数值仿真的技术是可以用在前处理的棚体内的数值模拟以及别的流场问题也能适用。

通过不同风幕高度尺寸进行比对，用最下方底部的局部速度矢量图进行分析。发现，高度尺寸变小，最下端的水汽外溢反而变小。首先，风幕单元高度方向上对水汽的外溢是主要的，宽度和厚度方向是次要影响因素。其次，水汽的最佳抽风位置在棚体的中上部位置，从设计的角度上，风幕在高度应该降低，把主要的排放位置设置在中高部位置以达到最佳效果。最后，适当的增加截面抽风的速度，也可以减少水汽的外溢。