基于Fluent对某型号除尘设备进行除尘仿真的二次开发 *

高铭泽,邹 胜,刘文可

(惠州市赢合科技有限公司,广东 惠州 516025)

0 引 言

分切是电池生产的一个重要环节,其主要目的是为了将辊压后成型的大型极片切割成合适大小的单个极片,从而为不同类型的设备制作适用的电池。目前,极片的分切方式可以大致分为刀片切割和激光切割。圆盘剪是刀片分割方式的一种,它可以通过上下刀片的旋转实现对锂电池极片的分割。然而在分切的过程中,粉尘的产生是不可避免的一个问题,这些粉尘会对电池本身造成污染以及不可逆的伤害,例如击穿隔膜导致电池短路以及电池自放电率提高,从而导致电池使用风险增加。因此,为了确保电池能够安全使用,需要使用除尘设备对生产过程中产生的粉尘进行处理[1]。然而市面上拥有繁多的除尘装置,如何选择成为关键。工业上在对设备进行设计时,通常会使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)对设备性能进行预估,从而降低试错成本。Fluent作为一款主流的CFD仿真软件,其内置的大量数学模型为计算不同的仿真任务奠定了基础[2]。

在Fluent中,求解颗粒流的模型可以根据耦合连续相与离散项的方式分为两个类别:欧拉-欧拉模型(Eulerian-Eulerian model)以及欧拉-拉格朗日模型(Eulerian-Lagrangian model)。二者在对颗粒流进行计算时,都采用局部平均纳维-斯托克斯方程(Locally averaged Navier-Stokes equation)对连续相进行求解[3-4]。不同之处在于前者将颗粒视为连续相,通过计算波兹曼方程(Boltzmann equation)对颗粒进行求解[5]。而后者将颗粒视作离散项,通过求解牛顿第二定律实现对颗粒物的力学分析以及路径等信息的追踪[6]。Fluent中的离散粒子法(Discrete Particle Method,DPM)是一个非常具有代表性的拉格朗日模型,主要用于离散项的轨迹计算。相较于欧拉-欧拉模型,欧拉-拉格朗日模型能提供更加具体的颗粒信息通,如速度,受力,位置等[7]。然而,现有的离散粒子法的壁面条件没有考虑壁面对颗粒物的吸附作用,导致小粒径颗粒的仿真结果过于理想,对小于等于2μm的粒径的除尘率都在99%以上,仿真结果与实际工况中所遇到的现象有极大的差距。

为了提升Fluent求解器的能力,Fluent为用户提供了用户自定义接口(User-defined functions,UDF) ,使得用户的自编程序可以动态连接到Fluent求解器上,如添加新的边界条件、初始化数据、输出数据等[8]。颗粒的边界条件也可以通过编写UDF代码进行修正,颗粒每与壁面碰撞一次,该函数将被执行一次,根据自定义的边界条件(如根据颗粒速度判断是否继续跟踪颗粒)实现壁面对颗粒的捕捉。因此,通过UDF对Fluent中的颗粒壁面条件的二次开发[8-9],可实现在特定条件下壁面对颗粒的吸附,从而使仿真结果更具有参考价值。王登超[10]在其论文中对壁面吸附模型进行了验证。笔者将以某型号除尘设备为模型进行简化,通过单向耦合欧拉与拉格朗日模型,对不同粒径的颗粒在添加和不添加壁面吸附条件时进行除尘仿真并对比二者的结果。

1 临界速度求解模型及案例设置

文中所采用的仿真模型为某型号极片切割机,如图1所示。根据现阶段施行的国家标准[11]将对0.1～50 μm的颗粒进行除尘仿真。

图1 除尘设备模型示意图

在不添加壁面吸附条件时,设备对于小粒径颗粒的除尘效果过于理想,如图2所示,与实际情况不符。因此,文中将针对壁面对颗粒的吸附条件进行阐述,并通过UDF在Fluent中对粒子的壁面边界条件进行重新定义。

图2 除尘设备在未添加壁面吸附效果时除尘率随颗粒粒径的变化

1.1 临界速度求解模型

在极片切割过程中,会产生大量以氧化铝(Al2O3)颗粒为主的粉尘,这些颗粒的密度为3 970 kg/m3,在文中将其假设为惰性材料。

图3 单个颗粒在流场中的受力分析

(1)

(2)

该模型中的曳力系数cd由式(3)求得,其中a1～a3为常数,根据不同区间的颗粒物的雷诺数,Morsi和Alexander[12]对这三个常数进行了定义。

(3)

升力:Saffman指出,当颗粒与流体之间存在速度差且周围流场存在一个垂直于颗粒运动方向的速度梯度时,颗粒会受到一个从低速度指向高速度方向的升力作用[13]。吸附一般发生在壁面,颗粒直径普遍小于边界层厚度,由于靠近壁面位置的速度梯度较大,升力也应作为影响因素之一考虑其中。Saffman升力模型在Fluent中的计算公式如下[10]:

(4)

式中:μl是液体的动力粘度。

压力梯度力:压力梯度力与压力梯度方向相反。

(5)

Dahneke等[14]通过对能量的分析推断出了颗粒被壁面吸附的临界条件,即当法向速度小于临界速度时,颗粒会被吸附,反之颗粒将反弹。通过分析颗粒与壁面碰撞时的能量变化,可以计算不同材料、不同粒径颗粒被壁面吸附的临界速度。如图4所示,在颗粒未与壁面发生碰撞时,颗粒受空气流动的影响和自身势能的转化拥有一定的动能。在与壁面刚刚发生接触时,动能(Qk)和表面能(QA,a)将转化为弹性势能(Qe)。当弹性势能大于壁面表面的粘附能(QA,r)时,颗粒会反弹并挣脱壁面的吸附,其弹性势能将再次转化为动能(Qk′)。因此可以将粘附能与弹性势能数值相等时的情况作为颗粒能否发生反弹的判断依据。

图4 颗粒与壁面碰撞时能量变化示意图

根据能量守恒,弹性势能与有效动能和表面能的关系可以被定义为:

Qe=QA,a+Qk

(6)

其中颗粒的动能(Qk)的计算公式为:

(7)

Hertz于1881年推导出了两个弹性球体之间在发生碰撞时所产生的接触力,从而可以对接触时间以及形变量进行预估,这为后期的碰撞模型发展奠定了基础[15]。在1971年,Johnson,Kendall以及Roberts[16]通过改进Hertz碰撞模型提出了新的JKR碰撞模型,其主要优势在于考虑了表面对轻载荷颗粒的吸引的影响。王登超[10]在论文中详细阐明了颗粒从碰撞到分离的过程。在颗粒的回弹阶段,颗粒表面的接触距离必须达到一定的距离才能完成分离。在这个过程中造成的能量损失计算公式为:

(8)

(9)

式中:Rc,E*,Γ分别为有效半径,有效杨氏模量以及粘附功。其计算公式分别为:

(10)

(11)

(12)

式中:ν为泊松比;γ为接触双方的表面自由能,下角标1、2表示发生碰撞的两个颗粒。此模型将会通过UDF被编译到Fluent中,从而增加壁面对颗粒的吸附效果。

1.2 仿真设置

为了测试壁面吸附边界条件对仿真结果的影响,文中将以图5所示简化后的除尘设备为模型,在稳态情况下通过单向耦合Lagrangian-Eulerian的计算方法,在流域内投放九种不同粒径的颗粒测试在添加壁面吸附效果后的除尘率随粒径的变化情况。所选粒径范围从0.1～50 μm,表1总结了不同粒径的氧化铝颗粒在壁面上被吸附的临界速度。这些临界速度将被带入到自编的UDF中,并在Fluent中进行编译获得新的颗粒边界条件。

表1 不同粒径氧化铝颗粒在壁面上被吸附的临界速度

图5 除尘设备简化模型边界条件示意图 图6 除尘设备模型网格划分剖面图

图5展示的是简化后的除尘设备模型,它包含了两个进口,两个出口(图中出口所在表面被隐藏)。简化模型的综合长、宽、高分别为0.27、0.432和0.19 m。其中两个抽气管的直径0.035 m。其工作原理是在两个入口处向外抽取空气,使内部达到一个负压状态,空气将由出口流向入口处,部分受气流影响大的颗粒将跟随气流从设备中排出。两个入口的边界条件均被设定为-37 m/s,两个出口为压力出口并设定表压为0 Pa。其它壁面均设定为非滑移墙壁,且湍流求解采用的是标准k-ε模型。

在每个案例中将有2 500个氧化铝颗粒以面投放的方式被投放到计算域内,投放平面位于下刀盘上方2 mm处,以避免颗粒在投放时被直接吸附。离散项边界条件入口与出口分别采用的是捕获与逃逸。在壁面处采用两种方式:①不考虑壁面吸附时将壁面设置为反弹;②考虑壁面吸附时,大于临界速度的颗粒将被反弹,小于等于临界速度的颗粒将被终止。

网格划分主要采用的是非结构性网格(如图6所示),网格总计约119万,并对投放区域进行了网格细化以及边界层的添加,确保结果的准确性。案例均以稳态方式求解,压力与速度场的耦合采用SIMPLE方式以提高收敛性。动量方程以及连续性方程以二阶方式离散,湍流模型采用的是一阶离散方式。

2 结果及讨论

文中除尘设备是一款用于分割蓝牙极片的设备,其通过上下两端的抽气口对在切割极片时产生的粉尘进行吸收,从而使设备达到客户要求的洁净度。文中将主要对比添加壁面吸附条件前后的除尘效果。

2.1 速度场

除尘设备在除尘时主要依靠空气的流动带动颗粒运动,因此空气流动的速度会直接影响到设备的除尘效率。

文中采取的耦合方式为单向耦合,即忽略了颗粒对流场的影响。在流域内截取多个平面(如图7所示),对除尘设备内部速度场进行分析。

图7 平面截取位置示意图

图8展示了整个流域的速度矢量图,从图中可以看出颗粒投放面处的空气会流向抽气口处,整个流域内的最大速度约为75.7 m/s。

图8 除尘设备内部流域的全局速度矢量图

图9～11分别为图7(a)～(d)平面上的速度矢量图。

图9 位于图7(a)、(b)平面上及图7(a)平面上局部的速度矢量图

图10 位于图7(c)平面上及其局部放大的矢量图

通过图9、10可以看出,流域内的高速度区域主要集中在上下两端的抽气口处,在这两个平面上,局部最大速度可以达到58.4 m/s。相比之下,靠近颗粒投放平面区域的空气流速急剧下降,最大处仅为0.242 m/s,不利于对受空气流动影响较小的颗粒的清除。并且由于重力的影响,大粒径颗粒容易掉落在极片上,对极片造成污染。

从图11中可以看出,由于上下两个抽气口的错位排布,使得空气在两个刀片之间的流动趋势多倾向于前方,从而不易在刀片切割区域形成滞留区,导致颗粒淤积。受流场影响较大的颗粒应更倾向于沿空气流动方向,即从前方离开切割区域,然后从抽气口排出到设备外部。

图11 位于图7(d)平面上的速度矢量图

2.2 除尘仿真结果

图12展示了不同粒径颗粒在除尘设备运行时的运动轨迹。

图12 不同粒径颗粒在除尘设备内的轨迹路线图

从图12可以看出因为小颗粒容易受到流场的影响,该设备对小于等于10 μm的颗粒有一定的除尘效果,而且大部分颗粒从上方抽气口被排出到设备外部。而大于10 μm的颗粒倾向于掉落在投放面上,对这部分颗粒的除尘效果并不理想。

表2为不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时的除尘率。从表2中可以看出,在不添加壁面吸附条件且颗粒粒径小于5 μm时,设备除尘率高达99%以上,只有极少部分颗粒被滞留在设备内部或从出口处逃逸。然而当颗粒粒径大于5 μm时,设备除尘率会急剧下降。这主要是因为在刀片切割区域空气流速小,大粒径颗粒受自身重力影响远远大于空气流动所产生的浮力,曳力及其它作用在颗粒上的力的合力。在这种情况下,颗粒很难通过气流的带动离开刀片切割区域。

表2 不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时的除尘率

在添加壁面吸附条件后,除尘率的仿真结果有了一个整体的下降,小于5 μm的颗粒的除尘率基本稳定在68.5%左右。相较于不添加壁面吸附条件时的仿真结果,添加后除尘率大约下降了31%。不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时除尘率变化趋势如图13所示。

图13 不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时除尘率的变化趋势

从图13可以看出与不添加壁面吸附效果时相似,添加壁面吸附后对小粒径颗粒的吸收率一直稳定在一定的数值。但当颗粒粒径大于5 μm后,设备对这部分颗粒的除尘效果并不理想,大部分颗粒会滞留在设备内部或掉落在极片之上。相比于不添加壁面吸附的过于理想的除尘结果,通过添加壁面吸附效果的UDF对颗粒的壁面边界条件的修改,得到的仿真结果对小颗粒的除尘效果更具有物理意义,也更贴近实际生产情况。

3 结 语

通过添加壁面吸附的UDF对颗粒物的壁面边界条件进行修正,从而提升除尘设备除尘效率的仿真结果的可靠性。首先对除尘设备内部流场进行了分析,流域内最大速度可以达到75.7 m/s,但在颗粒投放平面处的最大速度仅为0.242 m/s。这使得受空气流动影响小的大粒径颗粒不容易被排除切割区域,这与仿真结果反映的现象一致。当粒径大于等于10 μm时,除尘率陡然下降,在添加和不添加壁面吸附条件时,除尘率都在25%以下,最低是出现在当粒径为20 μm时,前者为0%,后者也仅有3.17%。在添加壁面吸附条件之后,对小于10 μm粒径的颗粒来说,设备的除尘率从99.9%左右下降至68.5%左右。对于大于10 μm粒径的颗粒影响不大,因为它们受重力的影响要远远大于其它合力的影响。相较于之前过于理想的除尘结果,现在的仿真结果更加具有实际意义,与实际生产过程中极片表面会附着细小的粉尘颗粒物的现象相吻合。