悬浮式烘箱的数值模拟分析硕士论文.pdf

摘要 论文题目：悬浮式烘箱的数值模拟分析 学科专业：印刷包装技术与设备 研究生：厉胜 指导教师：张海燕教授 侯和平讲师 摘要 签 签 签 涂布设备在日渐发展的国内包装印刷行业中占有举足轻重的地位，涂布设备干燥装置 的性能直接制约着整机的速度以及涂布产品的质量。因此，研究高效优质的新型干燥结构 对于涂布设备的设计创新具有非常重要的意义。本文结合热风对流干燥原理和流体力学相 关理论，对悬浮式烘箱风嘴内部的热风流动状态进行运动学和动力学分析，为悬浮式烘箱 整体性能的系统分析和结构优化奠定了理论基础。 研究的主要工作和成果包括： ( 1 ) 结合涂布干燥的不同方式和热风对流干燥原理，分析影响干燥速率的主要因素 和不同形式风嘴的结构特性，为悬浮式烘箱的设计提供理论支持； ( 2 ) 依据厂家提供的相关参数和涂布设备烘箱设计的经验参数，建立悬浮式烘箱风 嘴的三维数值模型。根据流体力学相关理论，建立热风在烘箱风嘴内流动状态的质量守恒 方程、动量守恒方程和能量守恒方程，确定热风流体域和模拟过程中的初始条件。 ( 3 ) 借助流体力学分析软件f l u e n t 在流动基本方程控制下对风嘴内部及出口处热风 的流动状态进行数值模拟计算，得到工作情况下风嘴内部及基材附近热风速度和压力的相 关特性，分析基材的悬浮状态。 ( 4 ) 对不同参数下的干燥过程中风嘴内部热风流动状态进行三维数值模拟，得到不 同参数下干燥过程中热风的相关特性，为悬浮式烘箱在实际生产中应用于不同的基材提供 参考。 关键词：涂布设备；干燥；悬浮式烘箱；f l u e n t 软件 本研究得到陕西省“1 3 1 1 5 ”科技创新工程( 编号：2 0 0 8 z d g c 一1 1 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t i e ：n u m e r i c a ls i m u l a t l o n a n a l y s i so ft h ef l o a t i n g d r y i n go v e n m a j o r ：p r i n t i n ga n dp a c k a g i n gt e c h n o i o g ya n de q u i p m e n t n a m e ：s h e n gu s u p e n ，i s o r ：p r o f h a i y a nz h a n g l e c t u r e rh e p i n gh o u a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： c o a t l n ge q u i p m e n to c c u p i e sap i v o t a lp o s i t i o ni nt h eg r o 、v i n gd e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i c p a c k a g i n ga n dp r i n t i n gi n d u s t r y t h ep e r f o n l l a n c eo ft h ec o a t i n ge q u i p m e n td 巧i n ge q u i p m e n t d i r e c t l yr e s t r i c t st h es p e e do ft h em a c l l i n ea n dt h ec o a t i n gq u a l i t yo ft h ep r o d u c t t h e r e f o 豫 r e s e a r c h i n gn e wd r y i n gs t r u c t u r e w i t h h i 曲e 伍c i e n c ya n dq u a l i t yh a sv e r yi m p o r t a n t s l g n l f i c a n c eo nc o a t i n ge q u i p m e n t s d e s i g na n di n n o v a t i o n i nt h i sa n i c l e ，c o m b i n e dt h eh o ta i r c o n v e c t i o nd r y i n gp r i n c i p i e sa n dt h et h e o r yo fn u i dm e c h a n i c s a n a l y s e dt h en o w s t a t eo ft h e h o ta i ri n s i d et h en o z z l eo ft h en o a t i n gd r y i n go v e n l a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h en o a t i n gd 巧i n go v e n so v e r a l lp e r f o m a n c ea n dt h e s t n j c t u r a l o p t i m i z a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t si n c l u d i n g ： ( 1 ) c o m b i n e dw i t ht h ed 叫i n gm e m o d so fc o a t i n ga n dt h eh o ta i rc o n v e c t i o n d r y i n gp r i n c i p l e ， g e t t i n gt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ed r y i n gr a t ef a c t o r sa n dt h ed i 伍：r e n ts t r u c t u r eo ft h e n o z z l e s p r o v i d e dt h e o r e t i c a ls u p p o nf o rt h ed e s i g n i n go ft h en e w n o a t i n gd r y i n go v e n ( 2 ) b a s e do nt h ep a r 锄e t e r sp r o v i d e db yt h em a n u f a c t u r e ra n dt h ee m p i r i c a lp a r a m e t e ro f t h e c o a t i n ge q u i p m e md r y i n go v e nd e s i g n ，e s t a b l i s h e dt h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lf o r t h en o z z l eo ft h en o a t i n gd r y i n go v e n a c c o r d i n gt ot h er e l a t e dt h e o r yo ff l u i d m e c h a l l i c s ， e s t a b i i s h e dt h em a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ，m o m e n t u mc o n s e r v a t i o n e q u a t i o na n de n e r g v c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n so ft h eh o ta i rn o ws t a t ei n s i d et h en o z z l eo ft h en o a t i n gd r y i n go v e n d e t e m l i n e dt h eh o ta i rn u i dd o m a i na n dt h e1 1 1 i t i a lc o n d i t i o n sd u r i n gm es i m u l a t i o n ( 3 ) w i t hn u i dd y n a m i c ss o n w a u r ef 1 u e n t ，c a l c u l a t e dt h en u m e r i c a lo ft h eh o ta i r l s f l o w p r o c e s si nt h en o z z l ea n dt h ee x i tu n d e rt h ec o n t r o lo ft h eb a s i cn o we q u a t i o n s g o tt h e v e l o c l t ya n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh o ta i ri n s i d et h en o z z i ea n du n d e rt h ew o r k i n g s t a t u sa n dm ea n a l y s i so ft h en o a t i n gs t a t eo ft h es u b s t r a t e 西安理工大学硕士学位论文 一一 ( 4 )o b t a i n e dt h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c so fd i 行e r e n tp a r 锄e t e r si nh o ta i r d r y i n gp r o c e s s t l l r o u g ht h et 1 1 r e e _ d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m l a t i o no fh o ta i rjn s i d et h ed v i n gp r o c e s sw 1 d e r d i f j e e r e n tp a r a m e t e r so ft h en o z z l ef l o ws t a t e p r o v i d e dar e f e r e n c ef o r f l o a t i n go v e n 印p l i e dt o d i f r e r e n ts u b s t r a t e sd u r i n gt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：c o a t e r ；d r y i n gm a c h i n e ；n o a t i n gd r y i n go v e n ；f l u e n t ； l v 1 前言 | 址- 工- l 刖吾 1 1 干燥装置研究背景 近几年，国内和国外印刷包装行业的发展都非常迅猛，涂布设备是包装印刷企业，尤 其标签印刷企业中常见的重要生产设备。目前的涂布设备正在向多色化、多功能以及连线 加工自动化生产的方向发展；随着热熔胶涂布技术和干式复合涂布技术的广泛应用，涂布 产品更是向着高质量、高精度、绿色环保的趋势发展。涂布产品的生产效率、产品质量、 合格率、优等品率等关键参数均与干燥装置有着相当大的关系。干燥装置是制约涂布设备 向着高速方向发展的最主要因素之一，如果涂布产品得不到很快、很好地干燥，相应的整 机速度就得不到提高。另外，由于干燥效率和涂布过程中溶剂残留量有着直接的关系，干 燥效率也影响了涂布加工产品的质量。涂布设备中干燥系统所消耗的能源占到整机能源消 耗的6 0 一7 0 ，使得干燥装置成为涂布设备能耗最大的机构之一；在全球倡导节能减 排浪潮的冲击下，减少干燥过程中废气的排放更是理想干燥装置的一个关键控制环节。因 此，新型干燥装置的研究开发对于涂布设备提高速度以及环境保护方面都有着广泛的前景 和深远的意义。这些年来，寻求新的干燥方法和干燥装置成为世界印刷包装行业厂家和科 研机构积极研究开发的一个重要方向。 国外对干燥装置的研究起步比较早，在结构设计过程中，以理论分析为基础，并进行 了大量的工程实验，得到了许多干燥性能参数，结合实验结果的反馈再进行合理的结构设 计。因此，国外在干燥装置的研发方面一直处于领先地位。英国的p o l y t y p e 公司设计生 产的悬浮式干燥装置，使得涂布基材在整个干燥过程中能够完全不依托于支撑辊的支持， 自身处于悬浮状态，这样基材的正反两面均可与干燥介质接触，大幅度提高了干燥效率和 能源利用率，进而提高了整个机组的生产效率阳1 。 国内对于涂布设备的研究起步比国外晚了至少四五十年，设计技术大多是从国外引进 的n 1 。在干燥装置的设计开发中，由于涉及到流体力学、空气动力学等领域较深，没有形 成统一的理论指导；再加上实验条件的限制，使得设计过程中缺乏足够的实验验证，研发 过程中参数的确定很大程度上依赖于设计者的经验和对国外机型的参照。国内涂布设备生 产企业在设计中一般采用类比的方法，没有从理论上进行深入的分析；由于模仿的成份太 多，国内生产的干燥装置在很多技术指标上达不到要求；为了达到目标干燥效果不得不采 取降低设备速度、提高风机的风压和功率、采用含有很多苯类物质的快干溶剂等办法弥补 设计上的不足。降低设备的速度就降低了生产效率；而提高风机的风压和功率则会造成严 重的能源浪费现象；含苯类有机溶剂的使用使得涂布产品残留的有害物质增多，直接影响 了涂布产品的环保性和安全性。 我国作为一个包装印刷的消费大国，纸张、塑料薄膜、复合材料等在许多领域内都有 着广泛的应用。随着装饰壁纸和包装产品新技术、新材料、新标准的引入，涂布设备将会 西安理工大学硕士学位论文 向着高速、高精度、自动化、低能耗和绿色环保的方向发展“1 。然而，干燥装置的落后严 重影响了国产涂布设备整体性能的提升，干燥装置已经成为制约我国涂布设备性能的瓶 颈，严重影响了我国涂布设备的市场拓展1 。因此，针对目前国内涂布设备干燥装置落后 于国外先进水平的现状，在现有干燥装置的基础上，结合涂布设备的干燥机理，研究开发 高效环保的新型干燥装置是非常有必要的。 1 2 干燥装置研究现状 国内对涂布设备热风干燥装置的相关研究起步较晚，对于干燥装置中热风流动状态的 流体力学和空气动力学分析理论相对较少，这为本课题的研究带来了较大的难度。但是， 现有的一些理论和研究基础也对本课题的研究提供的很大的帮助。文献【5 】系统的介绍 了热风气浮式干燥方法的概念、原理、结构以及这种干燥方法在生活用纸干燥领域内的应 用情况。文献【1 0 】介绍了涂布设备干燥装置相关参数设定的依据及烘箱内热平衡计算的 方法。文献【1 3 】概括介绍了组合式非接触干燥的基本配置及其在能量消耗方面的一些特 点。文献【1 9 】介绍了涂布设备干燥装置中物料平衡、热量平衡和热湿平衡的相关计算方 法。通过对这些文献的学习研究，基本上了解了热风干燥装置在国内应用和发展现状，以 及热风干燥装置结构设计的相关依据。 目前，国内并没有直接将数值模拟方法直接应用到悬浮式干燥装置的先例，但是数值 模拟方法在其他领域内的应用已经有了一定的研究基础。文献【2 1 】介绍了应用计算机对 建筑暖通领域内烘箱的三维速度场和压力场进行数值模拟的：基本方法。文献【2 3 】详细介 绍了有限体积法在非结构网格中的实现及其在流场模拟中的应用情况。文献【2 7 】以三维 湍流模型作为研究对象，运用数学分析和数值模拟相结合的方法对流场进行了分析。通过 对这些文献的学习研究，基本上了解了数值模拟的基本过程。 通过对这两部分文献的学习，大致了解了目前悬浮式干燥装置在国内基本上还处于研 发阶段，而且也没有形成成熟的理论体系。数值模拟的方法在悬浮式干燥装置上的应用更 是处于探索阶段，这对本次课题研究既是一个创新的机遇，同时也是一个挑战。 1 3 课题主要研究内容 本文以涂布设备的干燥机理为基础，从热风的形成出发，以流体力学的相关理论为基 础，利用模拟流体流动及传热分析的专用软件f l u e n t 为工具，根据新型烘箱的结构尺寸 和相关工艺参数建立三维数值模型，分析热风在整个干燥系统中的运动状态，并对数值模 拟得到的数据进行分析和处理，得到了悬浮式干燥装置风嘴内部和基材附近热风流动的速 度场和压力场，验证了基材在干燥过程中能够不依靠导料辊的支撑，基本处于悬浮状态。 主要的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据热风干燥的基本原理和流体力学的相关理论知识，建立风嘴内部和基材附近 热风流动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，确定可行的研究方案。 2 1 前言 ( 2 ) 对稳定工作状态下悬浮式干燥装置风嘴内部和基材附近的热风流体域进行三维 数值模拟，得到热风流动的速度场和压力场分布情况，根据计算数据对风嘴的相关性能进 行评价；对风嘴按照设计要求的整体排布情况进行三维数值模拟，得出整体状态下热风的 速度分布和基材上压力分布情况。 ( 3 ) 结合风嘴出风口处热风速度的变化规律，对基材与风嘴距离不同时风嘴内部及基 材附近的热风流体域进行数值模拟，根据得到的速度场和压力场的分布特性得出适用于工 程实际的参数应用范围。 西安理工大学硕士学位论文 一一 4 2 涂布干燥原理及装置 2 涂布干燥原理及装置 2 1 涂布干燥方式 涂布干燥的目的就是使涂料中的胶或者油墨等介质均匀的渗入到基材中，使得涂层固 化、发泡，从而符合工艺要求阳1 。涂布干燥相对于普通凹版印刷纸张干燥的区别在于：一 是要除去涂料中多余的水分从而使得涂层得到固化，形成功能性表面；二是干燥过程中还 要使得涂料中的化学成分产生应有的抗水性能和成膜性能，为基材进入后续的加工程序提 供适应条件1 。当介质为有机溶剂时，还要考虑在干燥过程的安全问题，以免发生火灾、 爆炸等安全事故；同时，涂布产品的干燥也关系到溶剂的残留问题。 目前，涂布干燥常用的方法有对流干燥法、接触干燥法和辐射干燥法等。利用加热的 空气为介质，以对流传热为主的气流干燥方式称为热风对流干燥；热风对流干燥的加热方 式有电加热、热油加热等几种。红外干燥法是以辐射原理来达到干燥目的的，即远红外元 件发出的辐射波长大致与涂层吸收的波长范围相同时，根据匹配吸收原理，其分子受辐射 能的激发而产生共振吸收“1 。目前，涂布设备所采用的干燥形式以热风干燥居多，也有一 些设备采用热风干燥的同时并以红外加热作为辅助。 2 2 热风干燥原理 在热风对流干燥过程中，传质和传热现象是同时发生的。传热和传质的方向是相反的， 热能由热风主体以对流的方式传递到涂布层的表面，然后冉由涂布层的表面传递到内部， 而溶剂却是由涂布层的内部向涂布层表面扩散的。温度差是传热的推动力，而溶剂的浓度 差或分压差是传质的推动力。1 。热风对流干燥过程中传热和传质模式如图2 1 所示。 懿象 ； 静鑫，一一 图2 一l 热风对流干燥过程中的传热传质过程 f i g 2 1t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rd u r i n gt h ep r o c e s so f h o ta i rc o n v e c t i o nd u i n g 图2 一l 中n 表示由印品表面汽化的溶剂量，q 表示由气相传给印品的热量，p 表示热 风主体中溶剂的分压，p s 表示印品表面的溶剂分压，t s 表示热风主体的温度，t 表示印 品表面的温度，6 表示热空气膜的厚度。 西安理工大学硕士学位论文 通过热风对流干燥过程中的传热传质过程可以知道，涂布产品的干燥是通过传热与传 质过程的同时作用来实现的。热风向涂布层传递热量使溶剂蒸发而产生传质过程，即传热 过程能促进传质过程的发生。而传质过程又分为两种：一种是表面的溶剂蒸汽向热风中移 动的气相传质；另一种是内部溶剂向涂布层表面的扩散移动。表面溶剂的汽化和内部溶剂 的向外扩散是同时进行的，因此，传热速度和传质速度都会影响热风干燥速度。 2 3 干燥速率的影响因素 干燥速率是指每平方米干燥面积每小时蒸发的溶剂量阳1 。涂布产品干燥的过程受到很 多因素的综合影响，其中干燥装置对干燥速率的影响最大。除此之外，基材的化学性能、 涂布所用溶剂的化学性能、整机的速度以及外界环境因素等都会影响涂布产品的干燥速 率。式( 2 1 ) 给出了干燥速率e 与烘箱的有效长度l 及整机速度v 等相关因素之问的关 系。 f mz “一日厂 ( 2 1 ) 脱 l z 1j 式2 1 中，烘箱有效长度l 的计算公式为： 1 ，g 三2 _ 7 f 订 ( 2 2 ) e f 坐一1 1 、7 l s 式中：m z 从烘箱排放的溶剂，单位：k g 1 1 ； 卜涂层的宽度，单位：m ； l 烘箱的有效长度，单位：m ； v 整机的速度，单位：1 1 1 s ； g _ 一涂布量，单位：k g m 2 ； m 一干燥后成品的溶剂含量百分比； s 涂料同含量百分比。 干燥装置内部热风的流动形式是影响干燥效率的主要因素。烘箱的有效长度、风嘴的 结构、风嘴的排布情况、进风口与风道的结构以及烘箱内部导流板的结构和分布等因素都 会影响热风吹到基材表面的速度场和温度场，进而影响干燥效果和干燥速率。热风干燥装 置的干燥速率主要由空气撞击涂布层的表面速度以及撞击涂布层空气的温度决定。因此， 均匀的速度场和温度场是达到均匀干燥效果的必要条件。在理想情况下，要求热风从风嘴 喷射到涂层上的速度能够与相邻风嘴喷射到涂层上的热风速度相一致，形成均匀的温度场 和压力场n 。 干燥过程中胶黏剂的迁移率是影响干燥速率的另一个重要因素，胶黏剂转移到基材上 会造成原料的浪费，转移到涂层表面则会使涂层外表面结皮，影响干燥效果和涂布质量m ，。 通常涂料固含量和涂布量比率不同的涂布产品的干燥速率也不同。 6 2 涂布干燥原理及装置 整机速度对于干燥速率的影响也是比较大的，通常整机的速度越快，对涂布产品的干 燥速率就要求越快，因而对涂布干燥装置的要求也就越高。如果干燥装置不能适应高速的 涂布过程，涂布产品就得不到完全干燥，进而会造成卷曲、裂纹、起皮等质量问题n ； 然而为了迎合较高的涂布速度盲目的增加风机功率，则会造成能量的浪费。 外界环境的温度和湿度等因素也会影响到干燥速率。干燥过程的第一步就是通过风机 将热源周围的空气加热，如果周围空气的温度过低，不仅会造成更多的能源消耗，也会影 响干燥速率。空气中水分含量过高会抑制涂层中溶剂的挥发；水分子聚集在涂层表面会形 成一层水膜，影响涂层内部水分的蒸发。 2 4 风嘴的设计 烘箱内部的热风是通过风嘴喷射到基材表面进而完成传热和传质过程的，因此选择合 适的风嘴设计参数对干燥效果有着直接的影响。风嘴的设计包括风嘴的形式、风嘴的间距、 风嘴与基材的距离等多个参数。按照热风出口的形式，风嘴可以分为多孔式风嘴( 图2 2 ) 和夹缝式风嘴( 图2 3 ) 。 1 l 一风嘴，2 一基材 图2 2 多孔式风嘴干燥方式 f i g 2 2d 巧i n gm e t h o dw i t hp o r o u sn o z z l e s l 一风嘴，2 一基材，3 一支持辊 图2 3 夹缝式风嘴干燥方式 f i g 2 - 3d r y i n gm e t h o dw i t hc r e v i c en o z z l e s 7 西安理工大学硕士学位论文 多孔式风嘴对于设计和制造的精度要求都比较高，制造起来的误差往往比设计所要求 的大很多；风嘴中孔的大小和排布都会影响热风的流动状态，在生产和实际应用中有较大 局限性，因此在涂布设备干燥中应用的较少。夹缝式风嘴的结构相对来说比较简单，达到 全面吹风和均匀干燥的效果也优于多孔式风嘴，因此在凹印设备和涂布设备的烘干装置中 得到较广泛的应用，本文模型中采用的就是夹缝式干燥方式。 夹缝式干燥方式按照涂布基材在干燥装置中是否依靠导辊支撑可分为直喷式和平衡 式两种。直喷式干燥方式中涂布基材在干燥装置中需要导辊的支撑，而平衡干燥过程中基 材是脱离导辊承托的n 蚰。直喷式干燥形式采用的是常规的l 型风嘴，结构相对简单，在 干燥的过程中各项参数也比较容易控制。目前市场上常见涂布设备的干燥装置大多数采用 的是直喷式结构。但是这种干燥形式只能适用于速度较低的涂布设备，适合单面干燥且能 耗较大。对于整机速度较高以及双面涂布的精密设备，就得选用平衡式干燥方式。 平衡式干燥是应用干燥空气的“附壁效应”来使得基材和风嘴之间形成气垫的。气翼式 干燥( 图2 4 ) 和气浮式干燥( 图2 5 ) 都属于高速热风平衡式干燥。气翼式干燥装置中的干燥 空气从喷嘴的一侧喷出后随基材一起运动，由于“附壁效应”，使得基材离喷嘴有一定的距 离。气浮式干燥中喷嘴是交错对称排布的，干燥空气从喷嘴的两侧喷出，由于“附壁效应”， 横向的气流与基材产生摩擦作用达到热量的传递效果。 1 一风嘴，2 一基材 图2 4 气翼式风嘴 f i g 2 - 4g a s w i n gn o z z l e ，r 一一 一一 。一，1 一、 吣 ；7、 、 p f ? 。 1 一风嘴，2 一基材 图2 5 气浮式风嘴 f i g 2 5f l o t a t i o n t y p en o z z l e 2 涂布干燥原理及装置 风嘴的结构设计是干燥装置中最关键的部分，风嘴性能的好坏直接影响着干燥装置的 整体性能。为了达到均匀干燥的目的，就要使得干燥装置内有均匀的速度场和温度场。而 对于气浮式干燥方式，在干燥过程中还要保证热风对于基材的压力与基材本身在运动过程 中的张力相互平衡。本文主要针对气浮式风嘴的结构进行热风流体域内的数值模拟分析， 得到风嘴内部以及基材附近热风的速度和压力分布情况，进而验证基材在干燥过程中的悬 浮状态。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 0 3 计算流体力学基础与f 1 u e n t 软件介绍 3 计算流体力学基础与f l u e n t 软件介绍 3 1 计算流体力学基础 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是利用数值方法借助计算机 求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空间物理 特性和非定常流体运动的时空物理特征的一门学科n 。计算流体力学的基本思想是：用一 系列有限个离散点上变量值的集合代替原先在时间域和空间域上的速度场和压力场等连 续物理量场，依照一定的原则和方式来建立起反映这些离散点上场变量之问相互关系的代 数方程组，然后对代数方程组进行迭代求解，从而获得场变量的近似值，进而得到所需要 的解n 。简而言之，计算流体力学就是在质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程 等流动基本方程的控制下，对流体流动过程进行的数值模拟计算，分析得到复杂流场内部 不同位置上的速度、温度、压力、流量等物理量的分布情况以及这些物理量随时问的变化 规律，为进一步的设计和实验提供参考依据。近年来，随着计算机技术在流体力学上的深 入应用，使得计算流体力学广泛应用于汽车设计、航空航天、环境工程、暖通空调等多个 学科领域。 3 2f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最普遍的计算流体软件之一，目前被广泛应用于模 拟分析复杂区域内流体的流动和传热等问题。f l u e n t 软件采用的是c 语言编写的基于非结 构化网格和有限体积法的通用c f d 求解器，它推出了多种优化的物理模型，可用于二维 平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系卜流场的模拟、定常及非定常流动 分析、不可压缩流和可压缩流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合 分析和反应分析、多相流分析、多孔介质分析、固体与流体耦合传热分析等。 针对不同模拟对象的具体流动特点，f l u e m 软件提供了多种求解方法以寻找最适合的 数值解法，用户可以选择显式或隐式差分格式，以便达到最佳的计算速度、计算精度和稳 定性“ 。f l u e n t 软件具有强大的前处理和后处理功能，可以对多种物理模型进行精确的 模拟。前处理软件g 锄b i t 综合了几何建模和划分网格的功能，对待求解的流体域进行几 何建模后可以划分多种高质量网格，为后续的计算精度提供了保障；f l u e n t 软件白带的后 处理模块能对数值模拟结果进行显示和分析。同时，f 1 u e m 软件中多重网格加速收敛技术 和先进数值方法的应用可以保证计算结果快速准确的收敛。 利用f l u e n t 软件求解问题时，首先要利用g 锄b i t 软件或者其他前处理软件对待求解 的问题进行几何建模、划分网格以及设定边界条件舳，输出用于f l u e n t 计算求解的文件 格式；然后利用f 1 u e n t 软件强大的离散化功能在边界条件的约束下对计算流体域进行迭 代求解n ；求解完成后对计算结果进行显示和相应的后处理。应用f l u e n t 软件求解问题 的具体步骤如下： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据流体力学、热力学等基本原理建立质量、动量、能量、湍流特性等方程； ( 2 ) 建立待分析的数值模型并确定各控制方程中的封闭方法； ( 3 ) 从模型的物理特征出发确定模型的初始条件和边界条件； ( 4 ) 通过划分网格的方式将控制方程在空间区域上进行离散； ( 5 ) 建立离散化差分方程组； ( 6 ) 根据模型的特征制定求解的方法； ( 7 ) 迭代计算，判断结果是否收敛，获得达到精度要求的数值模拟结果； ( 8 ) 对模拟结果进行后处理和分析，得到直观清晰的数据图表等。 3 3 流场的数值描述 3 3 。1 质量守恒方程( 连续性方程) 图3 一l 流体控制微元体 f i g 3 1f l u i dc o n t r o lm i c r ou n i t 强薄震警 所有流动问题都要满足质量守恒方程，质量守恒方程又被称为连续性方程，可表述为： 在流场内部任取一个封闭的区域，称之为控制体微元，其表面为控制面，单位时间内从控 制面流进和流出控制体微元的流体质量之差与单位时间内该控制体微元质量的增加是相 等的n 叫。其微分形式如下： 票+ 掣+ 掣+ 掣：o ( 3 ，) u lu x u ) u z 对于定常流动，密度p 是不随时间变化的，因此式3 1 变为： 亟型+ 型+ 丛型：o 出 方 d z ( 3 2 ) 1 2 3 计算流体力学基础与f l u e n t 软件介绍 对于定常不可压缩流动，密度p 等于常数，因此式3 2 变为： 塑+ 堡+ 塑：o 叙 匆 瑟 3 3 2 动量守恒方程( n s 方程) ( 3 3 ) 动量守恒方程也是任何流动系统都必须满足的基本定律，其本质是牛顿第二定律，可 表述为：任何控制微元体中流体动量对时间的变化率与外界作用在微元上各种力之和是相 等的北。其数学表达式为： 6 r ：6 型 衍 ( 3 4 ) 由流体的黏性卒构刀程得全u 且角坐杯糸卜小口j 雎缩流体的动重万程， ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程1 ，简称n s 方程： 如 ，a 矽fa 2 甜a 2 甜a 2 甜1 p 瓦2 ，一言+ 【丽+ 矿+ 虿j d 、，a p fa 2 v a 2 1 ，a 2 v1 尸瓦2 矾一希+ 【丽+ 矿+ 虿j 咖，劾 fa 2 w a 2 w a 2 w1 p 瓦2 ：一言+ 【万+ 可+ 万j 当流体中的黏忡神府可p 忽略时n s 方程可p j 写成 p 妾：兢一呈 p 瓦2 r 一言 p 尘：矿一望 p 瓦2 囝，一赢 p 李：形一窆 p 瓦2 乃z 一亳 即纳威斯托克 ( 3 5 ) ( 3 6 ) n s 方程比较准确的描述了流体的实际运动情况，对黏性流体流动的求解可以归结为 对此方程的求解。n s 方程共有3 个分式，加上不可压缩流体的连续性方程，一共4 个方 程，有队v 、w 和p 这4 个未知数，因此方程组是封闭的，加上适当的边界条件和初始 条件，原则上方程组是可以求解的n 。但是由于n s 方程中存在非线性项，求得一般的 解析解非常困难，只有在边界条件比较简单的情况下，才能求得解析解。 1 3 西安理工大学硕士学位论文 3 3 3 能量守恒方程 能量守恒方程是包含有热交换的流动系统所必须满足的基本定律，是热力学第一定律 对运动流体的数学表达式。流体的能量守恒方程可以表述为：对于确定的流体，其总能量 的时问变化率与单位时间内外力对它做的功和传递给它的热量之和相等n 4 1 ，即： 丝：p ，+ d f 一 ( 3 7 ) 对于粘性不可压缩流动，用热力学温度t 表示的能量方程，可用于求解流场中的温度分布， 在直角坐标系中为： 胪。鲁2 仞+ 哎窘+ 等+ 窘 + 8 ， 式中：卜流体的温度； k 流体的导热系数； c 。流体的比热容； 流体的粘性耗散函数。 d ta t8 ta ta t 其中：d f 研苏 砂 瑟， ( 3 9 ) = “ 2 ( 塞 2 + 2 ( 考 2 + 2 ( 豢 2 + ( 言兰+ 考 2 + ( 言萝+ 塞 2 + ( 言三+ 考 2 + ( 专三+ 象 2 。3 ，。， 如果流动是可压缩的，同时又忽略流体的粘性和传热，这样的流动就是等熵流动，那 么能量方程就可以用等熵过程方程来替代n 柚；如果流动是不可压缩的，热交换量很小以 至于达到可以忽略的程度，则可以不用考虑能量守恒方程。 3 3 4 组分质量守恒方程 组分质量守恒方程简称为组分方程，在给定的系统内，如果有多种化学组分或者有质 交换的存在，任何一种组分都要遵守组分质量守恒定律。针对一个确定的系统，组分质量 守恒定律可表述为：系统内部某种化学组分质量对应时间的变化率与通过系统界面的净扩 散流量和通过化学反应而产生的该组分的生产率相加。一种组分的质量守恒方程实际上相 当于该组分的浓度传输方程，其方程表述为： 1 4 3 计算流体力学基础与f 1 u e n t 软件介绍 皇+ 丝幽+ 丝蚴+ 丛趔 a t a x 却 a z = 鼬掣h b 掣m 皿掣卜1 1 式中：c 。组分s 的体积浓度； p c 。组分s 的质量浓度； d 。组分s 的扩散系数； s 。单位时间内系统内部单位体积通过化学反应产生的质量，即生产率。 3 4 数值模拟的注意条件 干燥装置内热风的流动状态是非常复杂的，完全实现零误差模拟热风的流动过程是不 现实的。为了得到最接近实际情况的模拟结果，综合实际过程中干燥装置的具体结构和影 响热风流动状态的不同因素，以及流体动力学分析过程中的假设条件等，在对热风流动问 题进行数值模拟计算时要考虑到以下几个方面： ( 1 ) 实际情况下干燥装置的结构是相当复杂的，而且在加工过程中难免会存在误差， 本文利用三维建模软件p r o e 完全依照设计尺寸来建立风嘴物理模型，在保证计算精度的 前提下，为了简化问题，对干燥装置内的一些连接部件的复杂结构进行了适当的简化，并 忽略制造和安装过程中产生的误差。 ( 2 ) 本文对干燥装置内部热风流动状态的模拟是在干燥过程中热风的流动达到稳定 时的模拟，忽略掉干燥装置刚开始工作和结束工作之前的不稳定状态阶段。 ( 3 ) 实际中干燥装置壁面并不是完全光滑的，但是壁面粗糙度对热风流动状态影响 相对于热风整体的流动状态来说是微乎其微的，因此在模拟过程中忽略了干燥装置壁面粗 糙度对热风流动状态的影响。 ( 4 ) 实际过程中，热风的密度较小且运动的速度较快，因此，重力的作用在热风整 个流动过程中的影响较小，因此忽略重力对热风流动状态的影响。 1 5 西安理工大学硕士学位论文 1 6 4 数值模拟过程及计算结果分析 4 数值模拟及计算结果分析 本文中主要是针对双槽式风嘴进行模拟分析，这种双槽式风嘴属于高速气浮风嘴的一 种。双槽式风嘴采用的是左右对称出风的形式，在风嘴内部设有均风板，其作用是使得进 入风嘴内的热风通过均风板上均匀排布的狭缝之后形成细长的风带，使得热风在进入风嘴 上部时速度比较均匀。 风嘴的出风口宽度的设定对热风的流动状态也有很大的影响，如果设定的过小在材料 加工过程中材料本身的变形就会超过设计精度，设计的过大则不能达到使得热风通过狭缝 获得稳定方向和较高速度的目的。风嘴内部均采用流线形的设计方法，有效避免热风在流 动过程中不必要的能量耗损。主要的结构参数为：风嘴的总长度为8 0 0 m m ；出风口宽度 为3 m m ；风嘴挡板角度为3 5 。；风嘴高度为1 2 0 m m 等。根据这些基本的参数值和风嘴设 计中所要遵循的基本原则2 ，应用三维工程设计软件p r o e 按照1 ：1 的比例对风嘴建立三 维物理模型，如图4 1 所示。由于连接件的作用主要是连接两个或多个零件，并不影响热 风流动的过程，所以在三维模型中省略了连接件。 图4 1 双槽式风嘴模型三维视图 f i g 4 一lt h r e e d i m e n s i o n a lo ft h ed u a l s l o tn o z z l em o d e l 4 1g a m b i t 前处理 进行前处理的目的是将待求解的流体问题转化为求解器可以接受的形式，即建立计算 域和划分网格。g 锄b i t 软件是f l u e m 公司为了帮助分析者建立和网格化计算流体力学模 型而研发的前处理软件，它通过用户界面( g u i ) 来接受用户的输入。g a m b i t 软件提供 基本的几何建模功能，也支持从外部导入几何模型文件。本文模型属于比较复杂的三维 c f d 问题，应用的是从专业三维建模软件p r o e 建模后导入的i g e s 格式文件。 西安理工大学硕士学位论文 计算流体力学分析的第一步是将计算区域离散化，即对流体域划分网格。前处理中专 用的网格划分方法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体或者 混合型网格乜，还可以高度智能化的选择划分网格的方法，对复杂的几何区域划分结构 化、非结构化或者混合型网格。根据热风流动的质量方程、动量方程和能量方程确定风嘴 内部及出口附近的流体域，在g 砌b i t 前处理软件中建立模拟所需要的数值模型，运用布 尔运算等命令完成对流体域的切割和划分，然后对风嘴流体域的数值模型进行网格化，即 将连续的控制方程离散化，流体域的建立如图4 2 所示。 图4 2g 锄b i t 用户界面 f i g 4 2 t h eg a m b i tu s e ri n t e r f a c e 网格的数量和质量对计算精度和稳定性都有很大的影响。为确保正确描述流体的流动 过程，网格数目应该足够多；而网格质量的好坏直接影响了后续f 1 u e n t 计算的精度乜踟。 因此，选择合适的网格类型和划分方法对模拟计算结果的误差影响很大。网格类型和划分 方法的选择要结合实际情况综合考虑，根据物理模型的特征，本次模拟分析采用分区域划 分网格的方法，并且对流场中速度梯度较大的区域采用局部加密的方法。在选择网格类型 时，要结合实际情况综合考虑计算时间、计算成本和数值耗散等问题。网格分为结构化网 格和非结构化网格两种，结构化网格生成的速度较快、数据结构相对简单，但是应用范围 比较窄；非结构化网格虽然处理起来相对复杂，但是可以应用于复杂的模型。本文模拟过 程中根据所分区域内模型形状的不同，分别利用h e x w e d g e 、t e t h y b i r d 等网格单元类型 进行划分，分别对应c o o p e r 、t g r i d 等形式扫描生成体网格，分区域划分后的网格如图4 3 所示。 4 数值模拟过程及计算结果分析 图4 3 分区域划分网格图 f i g 4 3s u b r e g i o n a lm e s h e d 网格质量与模型本身具体的几何特征、流体的流动特性以及求解流场所用的求解算法 都有很大的关系，因此，网格的质量最终需要通过计算的结果来评判。但是，根据误差分 析和计算过程中的一些相关经验，网格的划分应该满足一些基本要求，例如网格的光滑性、 正交性、网格单元的正确性以及在流场中变化剧烈的区域需要分布足够多的网格。经过检 查，本次分析所划分的所有网格点的j a c o b i a n 值均为正值，即所划分的网格没有负体积的 出现叫，其他网格质量度参数值( 例如扭曲角度、纵横比、压扁程度等) 均比较理想。 划分完网格后，要对模型的边界类型进行设定，本文模型根据实际的工作情况选用速度入 口、压力出口、绝热壁面等边界条件。设定完边界条件后就完成了前处理过程，接下来输 出网格文件给求解器进行计算。 4 2f l u e n t 模拟计算 本次模拟过程根据模型的维度和计算精度的要求，选用3 d 单精度求解器。导入m e s h 文件后应用g r i d c h e c k 命令对模型进行网格检查，报告计算流体域内的体、面、节点等 统计信息，并确认没有负体积网格。f l u e n t 软件中的网格检查报告提供了流体域的计算区 域、网格的体积以及边界条件等信息。 网格检查信息： 计算域范围( d o m a i ne x t e n t s ) ：