（机械制造及其自动化专业论文）基于cfd的汽车车身涂装线烘房数值模拟及优化.pdf

删洲川m 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 l i l y 1 7 7 6 2 4 4 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo f1 陀c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r n u m e r i c a l a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fd r y i n gr o o m f o r a u t o m o b i l eb o d yc o a t i n gl i n eb a s e do nc f d t i e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：j i a n gy e f e n g a d v i s o r ：a s s o c p r o f y ey 0 n g w e i c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e ji a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y m a y 2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 储躲珏吖午 吼舻多月钐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保霍口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 墨嘉蓁耋；亳；- 罄 导师签名：易寸如绐 日期：溯b 年么月乒日 日期：w 拜6 月夕日 浙江工业大学硕士学位论文 基于c f d 的汽车车身涂装线烘房数值模拟及优化 摘要 随着新的涂装生产线和涂装设备的迅速推广，涂装应用领域对烘房烘干质量和能耗的 研究成为迫切需要探讨和解决的重要课题之一。针对于东风日产柴汽车车身涂装线烘房存 在着能耗过大以及工作区风速、温度不均匀等现象。本文运用c f d 软件f 1 u e n t 对车身烘 房进行数值模拟仿真，分析了车身烘房热风循环烘干特性，提出了一种车身烘房变截面风 道设计方法，设计了半圆形变截面风道结构，并进行工艺参数优化，实现了节能。全文主 要研究内容如下： 1 研究了车身烘房热风循环烘干特性，在保证车身涂膜正常工艺的情况下，分析不同 的烘干影响因素( 温度、湿度、速度和初始温度) 和不同的热风循环方式对烘房能耗，以 及内部温度、速度分布的影响。 2 针对东风日产柴汽车车身涂装线烘房，建立了三维物理模型，通过数值模拟分析， 得到了升温加热工况下烘房内温度随时间变化以及在保温工况下风速的变化规律。同时， 通过实验对照，验证了车身烘房数值模拟的准确性。 3 提出了一种车身烘房变截面风道设计方法，建立了多种变截面风道结构，有效改善 进风口处风速的均匀性，提高了烘房内工作区的温度均匀性。同时，以风速均匀性系数为 评价指标，通过计算、分析、比较后，设计了一种半圆形变截面风道车身烘房。 4 应用结构优化后的半圆形变截面风道车身烘房，建立车身烘房热力学模型，以车身 烘房升温加热成本作为优化目标，以温度、速度、湿度和初始温度作为烘房的优化工艺参 数，运用正交试验法安排模拟试验，并对模拟试验结果分析，得到工艺参数最优组合方案， 比现有车身烘房的加热升温成本降低了5 ，达到了优化目的。 5 最后，对全文进行了总结，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：c f d ，车身烘房，数值模拟，优化，变截面风道 浙江工业大学硕士学位论文 n u m e l u c a la n a l y s i sa n do p t i m i z a r i o no f d r y l n gr o o mf o ra u t o m o b i l eb o d yc o a t i n g l i n eb a s e do nc f dt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t hm e r a p i dd e v e l o p m e n to fm e n e w p a i n tc o a t i n gp r o d u c t i o nl i n ea i l d l en e we q u i p m e i l t ， m eq u a l i 够a n dp o w e rc o n s u m p t i o no fm e 蛐gr o o mi nt l l ea r e ao fc o a t i i l ga p p l i c a t i o i l sh 嬲 b e c o m ea i ld 锄a 1 1 d i i lt l l i sp a p f o rm ep r o b l e mo fl l i 曲e re 1 1 锄既t l l eu i l e v e i lw i n ds p e e da n d t 锄p e r a n l r ei l lw o r ka r e ao ft h ed 晌gr o o mo fd o n g f 醣gn i s s a nd i e s e la u t o m o b i l eb o d y c o a t i i 玛l i n e ，廿l es i l i m l a t i o nm o d e lo ft h eb o d yd 聊n gr o o mi sb u i l tb yt h ec o m p u t a t i o n a ln u i d d y n 锄i c s ( c f d ) s o 腑a r eo ff l u 饥t 1 1 1 eh o ta i rc i r c l l l a t i o n 奶，i 1 1 9c h a r a c t 嘶s t i c so ft h eb o d y d 咖n g r o o mi sa i l a l y z e d ，锄dan e wd e s i 印m e t h o do fa i rc h a i l l l e lm o d e lo fv 撕a b l ec r o s s s 耐i o n i sp r o p o s o d t h e l las e m i - c m m l a rc h 锄e 1m o d e lo fv 乏u r i a b l ec r o s s s e c t i o ns 伽l c t u r ei sd e s i g n e d ， a n dp r o c e s sp a r 锄e t e r sa r eo p t i m i z e df o rs a 啊n gm ee 1 1 e r g y t h em 如r e s e a r c hc o n t e n t s 弱 f 0 1 l o w s ： 1 1 1 1 eh o ta i rc i r c u l 撕o n 奶，i i l gc h a 眦t 丽s t i c so fm eb o d yd 咖n gr o o mi ss t u d i e d t 0 e i l s u r e l en 伽m a lp r o c e s so fc o a t i l l gf i l m ，t h ei i l n u e n c e df a c t o ro ft 1 1 e 饥锄盯c o l l s 咖叩t i o n 锄d t 1 1 en 锄a lt 锄p 瞰曲r e 锄dv e l o c i t ) rd i s t r i b 埘o ni sa 1 1a _ l y z e db y 肌a l y z i l l gt h ed i f l 研e n td r y i n g i i l f l u e n c i i 培f a c t o 稻( s u c h 弱t 即1 p e r a ：t u r e ，h m n i d i 魄s p e e d 觚d i i l i t i a l t 锄叩e r a t u r e o fm e 既l v i r o m n e n t ) 砒l dd i 仃打e n tw a yo fh o ta i rc i r c u l a t i o n 2 t om ed 聊n gr o o mo fd o n g 胁gn i s s 锄d i e s e la u t o m o b i l eb o d yc o a t i n gl i n e ，t 1 1 e t h r e e d h e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h e nm er e g u l a t i o nf o rc h a n g eo ft e m p e r a t u r e w i mt h e 觚dw i n ds p e e du n d e rt 1 1 es t a t eo ft l l e n i l a l 删a t i o ni so b t 血e di i l s i d em ed 咖n g r o o mb yn u m 嘶c 2 l ls i m u l a t i o na n a l y s i s b e s i d e s ，m ea 删yo f 舢i i n 嘶c a ls i m u l a t i o nf o rm e b o d y 蛳l g r o o mi sv 丽f i e db ye x p 舒m e n t 3 an e wd e s i 印m e t l l o do fa i rc h a l l n dm o d e lo fv 撕a b l ec r o s s - s e “o ni sp r o p o s e d s e v e r a l s t m c t u r e so fv a r i a b l ec r o s s s e c t i o nf o rb o d yd i 弭n gr o o ma r ee s t a _ b l i s h e d ，w t l ic _ hi i l l p m v e dm e u i l i f o m 时o fm e “e tw i n ds p e e de f f e c t i v e l y ，a i l de i l l l a n c e dm et e i l l p 狐鹏1 1 1 1 i f 0 册时o f w o r k a r e a m e 锄w b i l e ，u 1 1 i f o m i t yc o e m c i 耐o f 、) l ，i n ds p e e d 嬲e v a l u a t i o ni i l d e x ，as e i i l i c i r c u l a r c _ h 锄e lm o d e lo fv a r ia ：b l ec r o s s s e c t i o ni s d e s i 龋e dm r o u g hc a l c u l a t i o 玛a n a l y r s i sa n d 浙江工业大学硕士学位论文 c 0 埘i p a n s o n 4 n et h e 肋od ”锄i cm o d e lo fm eb o d y 血) ，i i l gr o o mi se s t a b l i s h e db ya p p l i c a i i o no f 也e o p t i m i z e ds 仃u c t i l r eo fs e i n i c i - c u l a rc h a n n e lm o d e lo fv 撕a b l ec r o s s - s e 嘶o n 1 h 叩e r a n 玳 h e a t i n gc o s t si ss e l e c t e d 嬲o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，t 朗：1 p e r a n 鹏，s p e e d ，h u m i d i 坝锄di i l i t i a l t 锄p e r a t u r e 器叩t i i i l i z a t i o np r o c e s sp a r 锄e t e r s o n h o g o n a lt e s ti su s e dt 0a 玎a n g ee x p 甜m 肌t s c h e n l e s ，t l l eo p t i m i z a t i o ns c h 锄ei so b t a i n e db yt h er e s u l ta i l a l y s i s c o m p a l 硼w i m 研m a r y b o d yd 聊n gr o o m ，t l l et 唧e r a t u r eh e a t i n gc o s t so fo p t i m i z a t i o nb o d yd r y i i l gr o o mh a l sb e 衄 r e d u c e d5 ，a n dm e p u 印o s eo fo p t i i i l i z a t i o ni sa c ：1 1 i e v e d 5 f i i l a l l y ，廿1 e 彻1 t e x ti s 咖e du p ，a 1 1 dt h e 胁h e rs t i l d yp r o s p e c tj sp r o p o s e d k e yw o r d s ：c f d ，t h eb o d yd r y i n gr o o m ，n 1 n 舐c a ls i 舢1 a t i o 玛o p t i l i l i z a t i o n c h 锄e l m o d e lo fv 撕a b l ec r o s s s e c t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论。 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 论文的背景及研究意义1 涂装线的概况及发展趋势l 国内外烘房研究现状3 本文主要研究内容7 车身烘房热风循环烘干特性研究和数值模拟理论9 车身烘房结构组成及系统功能9 车身烘房热风循环烘干机理1o 2 2 1 热风循环方式分析1 0 2 2 2 热风循环烘干机理1 4 2 3 影响车身烘房烘干的因素。1 5 2 - 3 1 自身结构及材料的影响1 5 2 3 2 外部烘干条件的影响1 6 2 3 3 内部烘干条件的影响1 6 2 4 车身烘房热风循环的影响分析1 8 2 4 1 热风循环对能耗的影响。1 8 2 4 2 熟风循环对温度和速度的影响1 9 2 5 车身烘房流场数值模拟理论。1 9 2 5 1 湍流及其控制方程1 9 2 5 2 湍流的数值模拟方法2 5 2 5 3 f l u t 的粘性模型2 6 2 5 4 近壁面的流动计算2 8 2 6 本章小结2 9 第3 章车身烘房数值模拟仿真及验证3 0 3 1 车身烘房物理模型的建立3 0 3 1 1 物理模型简化。3 0 3 1 2 烘房模型及参数3 0 3 1 3 模型的网格划分3 1 3 1 4 边界条件的设置3 2 3 2 车身烘房模拟及分析3 2 3 2 1 瞬态流场模拟结果及分析3 2 3 2 2 稳态流场模拟结果及分析3 3 3 3 车身烘房仿真验证实验分析3 5 3 3 1 实验系统设计3 5 3 3 2 实验测量和数据分析3 6 3 4 本章小结4 0 第4 章车身烘房的均匀送风结构优化。4 1 4 1 车身烘房均匀送风分析一4 1 浙江工业大学硕士学位论文 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 第6 章 6 1 6 2 车身烘房均匀送风的设计原理4 2 4 2 1车身烘房风道上的侧孔出流分析一4 2 4 2 2 车身烘房风道内的静压变化规律4 5 车身烘房均匀送风变截面风道模型4 6 4 3 1 变截面风道模型设计4 6 4 3 2 变截面风道方案分析5 4 风口模型的改进设计5 7 4 4 1 风口模型的设计5 7 4 4 2 风口气流状况5 7 4 4 3 风口送风均匀系数分析5 8 车身烘房优化结构的数值分析。6 0 4 5 1 工作区速度分布分析6 0 4 5 2 工作区温度分布分析6 2 本章小结一6 3 均匀送风结构的车身烘房工艺参数优化6 4 车身烘房试验设计方法。6 4 5 1 1 正交试验设计方法6 4 5 1 2 车身烘房正交试验的优点6 4 车身烘房试验方案6 5 5 2 1 优化目标的确定6 5 5 2 2 优化参数的确定6 5 5 2 3 试验方案的制定6 6 模拟结果及分析6 7 车身烘房热力学模型。6 9 5 4 1 车身烘房热平衡模型的建立6 9 5 4 2 模型各部分热量计算7 0 车身烘房加热能耗分析7 3 本章小结7 7 结论与展望7 8 1 2 i 论7 8 展望7 9 参考文献 致谢 8 0 攻读硕士学位期间参与的项目和获得的成果 ；：； j l z l 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的背景及研究意义 汽车涂装线节能是近年来世界涂装业发展的热点之一，这和当今世界可持续发展观念 的逐步深入人心密不可分。在汽车制造过程中，汽车涂装是工艺流程最长、技术复杂程度 最高的环节之一，也是高耗能和高排放的环节之一【l 】，降低能耗、减少涂装公害、降低涂 装成本、提高涂装质量一直是涂装技术发展的主题。随着新的涂装生产线和涂装新设备的 迅速推广，汽车涂装线的能耗研究成为迫切需要探讨和解决的重要课题之一。 在上述的背景下，浙江省科技项目“汽车车身电泳涂装线节能关键技术研究 ( n o 2 0 0 8 c 2 1 1 6 0 ) ”确定对涂装线设备层进行节能关键技术研究。在众多的涂装设备中， 烘房的能耗尤为突出，例如，一个年生产2 0 万辆汽车的工厂，其电力消耗一般在1 亿k m 左右。其中，汽车涂装线所消耗的电量占总用电量的1 4 以上，烘房系统所消耗的电量则 占整个涂装线用电量的1 5 左右【2 引。因此，进行涂装线烘房能耗研究，解决企业的资源瓶 颈，是保证整个行业可持续发展和提升技术水平的重要关键技术之一，也是对国家“建设节 约型社会”方针的积极响应。 本论文从我国及浙江省装备制造企业的生产实际出发，立足于东风日产柴汽车涂装生 产线，对涂装线烘房进行研究。针对烘干质量的好坏取决于烘房内工作区的温度均匀性这 一特性，通过对烘房变截面送风道的结构优化，有效改善进风口的风速均匀性，提高烘房 内工作区的温度均匀性。同时，通过对优化结构后的车身烘房进行工艺参数优化，得到了 最佳节能方案，从而降低企业的生产成本。 1 2 涂装线的概况及发展趋势 ( 1 ) 涂装线的概况 涂装工艺就是在被装饰表面涂覆涂料的表面处理工艺，以提高其美观性、耐腐蚀性和 耐候性。在现代化工业生产中涂装占有重要位置，已成为涉及面最宽、适应性最强、用途 最广、用量最大的主要技术。并且随着经济的发展，市场对涂装的需求越来越大、质量要 求也越来越高。 在汽车、家电、建材、机械制造等现代化大工业生产中，涂装工艺与脱脂、磷化等涂 浙江工业大学硕士学位论文 装前处理工艺和涂料固化工艺等组合在一起，并配套以纯水制备、废气处理、废水处理、 油水分离等设备形成大规模连续化生产的涂装生产线。 一套完整的涂装生产线包括众多子系统，如前处理系统、电泳系统、烘干系统、喷漆 系统和输送搬运系统等【4 5 】，如图1 1 所示。 涂装生产线 ，形太心、 i 前处理统 电泳系统烘干系统 喷漆系统输送搬运系统 00士士00士士 上上上上上_ l上_ l上上 上 击 电 燃 执 尾自吊动 机脱 磷电冲 泳 烧风气 进水 空 动装机 械脂化泳淋 液 过 循 燃 出 循 设设设 设设 循 滤环烧 风 环 调输翻械 环 设设 设 送 转搬 备备备备备 设 设 设 备 设设压 设 备备 备 备 备 备 各备 设 备 图1 1 涂装线的组成 ( 2 ) 国内外涂装线的发展趋势 涂装生产线涉及的学科领域比较广泛，不仅包括机械、电器、自动控制、化工、计算 机等，还涉及劳动保护和环境保护等诸多方面技术。而且，由于是连续大规模生产，所以 一般涂装生产线的规模庞大，运行成本高。 随着科学技术的发展，新工艺、新材料不断涌现，涂装生产线的制造工艺和运行工艺 也有了很大改掣6 】。总的发展趋势为：提高被处理工件的美观性和耐腐蚀性；降低对环境 的影响；降低能耗，减少运行成本。 提高美观性和耐腐蚀性 现在，涂装的作用已不仅仅是为金属表面提供保护层。人们现在更注重产品的美观性， 要求涂层平整细腻、色泽鲜艳、光亮、质感好。在追求涂层美观的同时，也强调涂层的牢 固性和耐腐蚀性【刀。涂装工艺也由喷漆、喷粉发展为阳极电泳、阴极电泳、氟碳喷涂。尤 其是随着我国汽车工业的迅猛发展，车身及汽车零部件的涂装要求越来越高，盐雾试验已 达一万小时。所有这些都对涂料、涂装工艺和涂装设备提出了更高的要求【引。 降低对环境的影响 一2 一 浙江工业大学硕士学位论文 规模巨大的涂装生产线不可避免地要产生大量的废水、废渣、废料。“三废”中还含有 酸、碱、盐等有害物质，这些有害物质会对环境产生很大的影响。现今社会，环境保护意 识越来越强烈，无水或少水清洗技术、水循环使用技术、有害物质的沉淀、分离技术、绿 色环保原材料的使用及综合治理“三废”等新技术的应用是涂装生产线的发展趋势【9 】。 降低能耗，减少运行成本 当今商品社会行业内竞争都非常激烈，己进入薄利或微利阶段。所以涂装生产线本身 必须降低成本，在确保产品质量满足用户要求的同时必须非常仔细地算经济帐，不但要算 产生线建造的成本，而且还要算它的运行、使用费用，这是涂装生产线发展的最重要的趋 势【10 1 。 ( 3 ) 烘房在涂装线中的地位 在涂装生产过程中，设备按功能可分为：喷漆室、烘房、搬送设备、空调、表面处理 设备、电泳设备、作业场等，各设备能耗比例如图1 2 所示。其中烘房、喷漆室、电泳设 备和空调所消耗的电能占到涂装线总能耗的近9 0 ，而烘房又占到了以上四种设备能耗的 1 4 左右，如何实现其节能改造【1 1 1 ，将会对涂装线整体能耗削减起到关键的作用。 图1 2 涂装设备能源消耗比例示意图 1 3 国内外烘房研究现状 涂装生产线中，烘房占有重要的地位。工件表面被涂覆了涂料后，需经过烘房的烘干 固化，才能形成美观牢固的涂层。高性能的涂料不仅对固化的温度、时间要求严格，而且 对烘房设备的内部环境即烘房工作区内的温度均匀性也有很高的要求1 2 】。只有优越的烘干 环境和条件才能使烘干质量得到充分的保证。 针对烘房的能耗和工作区的温度均匀性问题【1 3 1 4 1 ，国内外的研究主要集中在结构、加 热方式和工艺上。 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 结构上的改进研究 烘房在结构设计上应该满足烘干件表面涂层的均匀性，同时，应尽量减少烘干能源消 耗雌1 6 1 。采用高效的保温材料和加热元件以控制室体保温壁热的损失【1 7 1 ，合理设计壁板间 内骨架的结构和运输链的结构。烘房体积要尽可能的小，减少散热面积，从而减少通过围 壁散失的热量【1 8 】。要注意结构应有利于热空气的循环流动，不要形成死角，尽量使烘房内 温度均匀。目前国内外汽车涂装线烘房的研究按结构可以分为：直通式烘房、桥型烘房 和a 型烘房。 直通式结构 直通式是比较原始的烘房设计，其结构就是一般的长方体房间，国外汽车涂装线烘房 在1 9 8 4 年以前使用的基本上都是直通式，直通式的设计较为简便，成本也比较低，到目 前还有不少企业使用直通式。但直通式烘房存在热损失大、进冷空气量大、废弃量大以及 烘房中间和进、出口处存在着温度不均匀的梯度现象。 桥型结构 桥型烘房，又叫u 字型烘房，其结构就像桥的形状，桥型烘房能够弥补直通式烘房的 不足，所以在1 9 8 4 年以后，得到了广泛的应用。相对于直通式烘房，桥式烘房迸、出口 段热空气的密度较轻，热空气上浮，冷空气下沉从而能够形成气封，有效地阻止热量的溢 出和外界灰尘的进入【2 0 】，同时，烘房内部温度的均匀性有了一定的改进。1 9 8 6 年德国大 众公司建成的一条水性面漆涂装线的烘房，在烘房的入口和出口采用两种不同的提升机 构，烘房内采用了往复式运输机，空气加热后进入烘房【2 1 】，可以解决滴液问题，废气量减 少一半，节能2 0 3 0 。 a 型结构 a 型烘房在降低热损失和减少占地面积方面优于桥式烘房和直通式烘房，烘房的热风 采用二道过滤，提高了热空气的清洁度，将油漆静置室内的空气引入烘房，在下一步的循 环中和烘房中挥发的溶剂一起吸入燃烧炉进行燃烧。溶剂全部分解成二氧化碳和水，大大 减少了污染，因此也得到了广泛的应用，a 型烘房的热量封闭和热能利用更加合理。 ( 2 ) 加热方式上的改进研究 烘房加热方式的设计必须满足使房间具有一定的加热速度和烘房内部温度分布的均 匀性。室内循环空气保持洁静并考虑防爆和废气处理，对于采用对流式加热的烘房【2 2 1 ，要 控制排气热损失和室体出入口热损失，循环风速和冷空气型2 3 1 。热风循环管道和废气处理 余热的利用，对于采用辐射式加热方式的烘房，要选择合适的辐射器，控制好工件表面与 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 辐射器的最佳间距。 在热源的选择上要在满足工艺条件的的前提下选择尽可能经济的和比较方便维护的 能源，最好选用具有控温精度高、稳定性好、利用率高、安全可靠、故障能自动判断和切 断等综合优点的能源。烘房按不同的加热方式可以分为：对流式烘房、辐射式烘房和对流 辐射式烘房。 对流式结构 对流式烘房主要选择对流烘干为其主要加热方式，对流烘干是采用电、燃气、燃油燃 烧生成物与空气的混合物或者采用燃气、燃油燃烧，间接加热的空气作为介质以对流换热 方式加热工件。具有生产费用较低，能加热各种形状的工件，设备运行稳定性比较高等优 点。但存在设备庞大、占空间、加热系统热惰性大、加热时间长、效率低、保温性能不佳、 炉内温度不均匀等缺点。 辐射式结构 辐射式烘房主要选择辐射烘干为其主要的加热方式，辐射烘干用电流加热辐射元件， 使其产生适合涂层吸收的红外线，以辐射方式直接加热工件表耐2 钔。由于远红外是直线传 播的，对于形状复杂的工件，易产生阴影，要控制辐射器距工件的距离，要求涂层均匀， 以免烘干时产生气泡。辐射烘干具有传热效率高，烘干速度快，烘干温度高，热惰性小， 设备结构简单等优点【2 5 1 。但烘干范围比较小，对于复杂的工件表面容易产生温度不均匀的 现象。 对流辐射式结构 对流辐射式烘房采用了对流和辐射相结合的加热方式，烘干温度高，并且比较均匀， 能量利用率高，设备结构复杂，投资大，对于大中型形状复杂的工件比较有优势，也比较 适合各种油性和水性涂料。 此外，电磁感应式烘干【2 6 猫1 利用高频电流在导线内部造成快速脉动磁场，使工件机体 表面产生感应电流而加热，对工件涂层进行干燥，干燥速度快，但需要大功率的高频发电 设备，设备一次性投资费用大，仅适用于厚壁金属工件的涂层f 2 9 1 。 ( 3 ) 工艺上的改进研究 涂装新工艺的改进 一些新的涂装工艺和涂装方法的应用对烘房的改进也有重大的影响【3 0 1 ，日本马自达公 司开发成功的3 c 1 b 涂装技术【3 l 】，将传统涂装工艺简化，取消中涂烘干工序，即中涂、底 色、罩光3 层在连续涂装后一起进行烘干的涂装方式，这种涂装方式对烘干工艺的改进产 浙江工业大学硕士学位论文 生了较大的影响。 烘干时间和烘干温度的调整 烘烤型涂料在一定的温度范围内，其烘干时间和烘干温度成正比 3 2 】，根据日本关西涂 料公司资料介绍，k t 1 0 涂料在工件表面温度达1 8 0 ，保温l o 分钟和工件表面温度1 7 0 ， 保温2 0 分钟达到同样的效果，对于不同的涂料和涂层标准，要寻找其最合适的烘干时间 和烘干温度，实现节能。 废气处理新技术的应用 烘干工序不但是涂装线耗能最多的工序，也是产生v o c 和c o2 的重要来源【3 3 】。汽车 涂装线烘房采用多循环对流加热方式，炉膛空气重复循环，有机物气体含量高时，需要不 断排出，以维持其浓度不超过爆炸极限。但这些排出的气体温度高并且含有可燃气体，一 般经过处理后才能排放。因此，国内外通常进行尾气燃烧、能源综合利用等方式进行节能 【3 4 1 。使用直燃式的燃烧装置【3 5 1 燃烧处理v o c ，能使v o c 排出量降到2 5 咖2 ( 约降低6 0 ) ， 可是设备大型化，燃烧需消费较多的能量，而使c 0 2 排出量增加2 0 6 0 。使用陶瓷蓄 热式废气焚烧炉【3 们，将烘房排放的有机废气集中在它的燃烧室内焚烧氧化生成二氧化碳和 水，再经过蓄热室蓄存热量后排放，蓄存的热量用于预热新进入的有机废气，既控制了排 放的有机物量，又达到了节能目的。德国d u r r 公司为大众公司设计的涂装线烘房采用了 高温并带有可燃性气体的完全燃烧，燃烧后的高温气体通过逐级利用后排出大气，采用这 种方式和传统的烘干废气处理相比，能源利用率高达7 0 以上，热效率提高一倍，进一步 节约了能源。 涂层的烘干在涂装过程中占有较长的时间，一般也是涂装生产线耗能的最主要工序， 因此涂层的烘干过程对生产线的运行成本有很大的影响。所以烘房必须在保证涂层烘干质 量的同时( 烘干质量的好坏取决于烘房内工作区的温度均匀性，而进风口的风速均匀性， 影响着烘房内工作区的温度均匀性) ，要有良好的保温性、能源的转化率要高；要有较高 的热效率，节约运行成本；向低能耗、少污染的方向发展。 通过对车身烘房的研究现状分析，可以发现，涂装生产线中烘房系统的发展方向为： 节能、降耗、降低运行成本为主要目标。而且，长期以来，对烘房内工作区的风速场、温 度场均匀性研究不是很多。针对于本文的研究对象：东风日产柴汽车车身涂装线烘房，存 在着能耗过大以及存在部分烘干件车身的烘干质量不均、抗腐蚀性不强等现象，本文需要 采用f l u e i l t 对烘房内部流场进行数值模拟分析，以寻求最优解决方案。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文以汽车车身涂装线车身烘房为研究对象，采用c f d 软件f l u e n t 对其内流场进行 了三维仿真计算，揭示了车身烘房的内流特性，并对其进行了结构优化和工艺参数优化， 在保证温度和速度均匀性的基础上，实现最佳的节能模式。全文总体内容分为6 个章节， 具体内容安排如下： 第1 章首先介绍了论文的背景及研究意义、涂装线的概况及发展趋势和烘房的研究现 状，并指出了目前存在的不足，最后说明了本论文的组织结构。 第2 章对车身烘房的烘干特性进行了分析，包括了烘房结构、烘干机理和烘干因素的 分析。同时，阐述了车身烘房流场数值模拟的相关理论，为后续章节的仿真及优化提供理 论基础。 第3 章对车身烘房的数值模拟进行研究，建立烘房的三维模型，对计算区域进行合理 的网格划分，分别分析了烘房在瞬态工况下的升温时间和在稳态工况下工作区的温度分布 情况，得出速度及温度不均匀这一问题。最后，通过对照实验验证车身烘房数值模拟的准 确性。 第4 章根据烘干质量的好坏取决于烘房内工作区的温度均匀性这一特性，通过对车身 烘房的均匀送风及其设计原理进行了研究，得出改变烘房送风系统的结构。采用变截面送 风道，可以有效改善进风口的风速均匀性，从而提高烘房内工作区的温度均匀性，并建立 了多种车身烘房均匀送风变截面风道模型，通过设计、分析、比较后，确定半圆形变截面 风道结构为优化结构方案。同时，在结构优化方案上进行风口模型的改进设计，分析不同 的风口形式和尺寸对速度均匀性系数的影响。最后，对烘房的变截面优化结构进行f l u e n t 数值模拟仿真，分析工作区的速度和温度分布情况。 第5 章在结构优化的基础上，对车身烘房流场进行工艺参数优化，首先，通过正交试 验，得到不同工艺参数组合下的升温时间，并分析了不同因素对升温时间的影响；然后， 通过建立烘房加热工况下的热力学模型，以最低成本为目标，得到优化组合方案。 第6 章对本文的工作进行了系统的总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 论文整体框架及章节之间的关系如图1 3 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 图1 3 本文各章组织结构 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章车身烘房热风循环烘干特性研究和数值模拟理论 2 1车身烘房结构组成及系统功能 ( 1 ) 车身烘房的基本结构 电泳后烘干是电泳涂装的中重要的一道工序，针对东风日产柴汽车车身特定的涂膜材 料，在1 8 5 土1 0 温度下，烘干3 0 分钟左右，即可得到固化后的漆膜。车身阴极电泳涂 装线采用的是热风循环烘干技术，它是利用热空气为介质，通过对流方式将热量传递给工 件。它的优点是加热均匀，适用于形状、结构复杂的工件，是目前涂装行业正在推广和应 用的一种加热方式。 汽车车身涂装线的烘房，其主要的结构由以下几部分组成：热风循环系统、燃烧过滤 系统、车身烘房室体和尾气燃烧系统，如图2 1 所示。 1 烘房外道门2 烘房内道门3 循环风机4 过滤装置 5 燃烧器6 助燃风机7 烘房室体8 尾气燃烧装置 图2 1 烘房整体示意图 ( 2 ) 烘房子系统功能分析 热风循环系统 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 热风循环系统的加热系统是加热空气的装置，它将燃烧室内的空气加热至一定的温度 范围，通过加热系统的风机将空气引进烘房内，并形成循环空气在室体内流动，连续地加 热工件。为了保证烘房内的溶剂浓度在安全范围内，加热系统需要排除一部分带有溶剂的 热空气，同时从烘房外吸入一部分新鲜空气作补充。 燃烧过滤系统 燃烧过滤系统由燃烧器、耐高温引风机、燃烧机、过滤室和风管组成。循环风由回风 管进入燃烧室，与燃烧室内轻柴油燃烧后的高温气体直接混合，被加热后的空气由离心风 机送入烘房的送风管内，经过过滤后进入烘房，以热风对流的方式对工件进行加热。在外 循环管道上开有带过滤装置的新鲜空气补充入口。循环风管引导热空气在烘房内对流循 环，将热量传递给工件，风管由送风管和回风管组成。 尾气燃烧系统 尾气燃烧系统系统包括废气引风机、管道、调节阀等。风机将废气吹入净化系统，有 机废气加热升温至7 5 0 以上，在燃烧室内停留0 7 1 o s ，使废气中的有机污染物氧化分 解，成为无害的c 0 2 和h 2 0 。燃烧产生的热量被蓄热体“贮存”起来，用于预热新进入的有 机废气，从而节省升温所需要的燃料消耗，降低运行成本。 烘房室体 烘房室体内包括工件输送装置和烘干工件，形成一个封闭的空间，利用热风循环供热 方式对车身进行烘干。 2 2 车身烘房热风循环烘干机理 2 2 1 热风循环方式分析 所谓热风循环，就是送回风口位置、规格、数量、分配风量及选用适当风口型式，以 便以最小的风量和成本达到最好的烘干效果。对热风循环的任务、送回风口型式、常用的 热风循环形式进行分析，得到烘房最佳的热风循环方式3 7 1 。 按照送、回风口的布置位置和型式的不同，可以有各种各样的热风循环形式。大致可 以归纳为以下五种：侧送侧回，上送下回，中送上下回，下送上回及上送上回。 ( 1 ) 下侧送上侧回 下侧送上侧回布置在烘房的侧面上部，空气横向送出，气流吹到对面上转折下落到工 作区以较低速度流过工作区，再由布置在同侧或另侧的出风口排出，使工作区处于回流区。 由于送风射流在到达工作区之前，已与烘房空气进行了比较充分的混合，速度场和温度场 一】0 一 浙江工业大学硕士学位论文 都趋于均匀和稳定，因此能保证工作区气流速度和温度的均匀性。所以，对于侧送侧回来 说，容易满足设计对于速度不均匀系数的要求。 此外，由于侧送侧回的射流射程比较长，射流能够充分衰减，故可以加大送风温差。 侧送侧回是用得最多的热风循环形式。 ( 2 ) 上送下回 孔板送风和散流器送风是常见的上送下回形式，这样可以形成平行流流型、涡流少， 断面速度场均匀。这种送风方式对于温湿度要求精度高，特别是要求洁净度很高的环境， 是理想的热风循环形式。 ( 3 ) 中送上、下回 对于高大空间来说，送风量往往很大，空间上部和下部的温差比较大，因此将空间分 为上下部分是合适的，下部视为工作区，上部视为非工作区。采用中部送风，下部和上部 同时回风，形成两个气流区，保证下部工作区达到设计的要求