流延裝備主冷輥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬研究①

殷術(shù)貴 張華偉 吳智恒 張春華 陳 勇

(1.廣東省智能制造研究所；2.廣東仕誠塑料機(jī)械有限公司)

流延裝備主冷輥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬研究①

殷術(shù)貴1張華偉1吳智恒1張春華2陳 勇2

(1.廣東省智能制造研究所；2.廣東仕誠塑料機(jī)械有限公司)

借助流體力學(xué)仿真軟件對多個(gè)工況下的流延裝備主冷輥內(nèi)部冷卻水流動(dòng)性能進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明：冷卻水進(jìn)入主冷輥后在進(jìn)水側(cè)水箱內(nèi)形成了多個(gè)大的回流區(qū)；在冷卻水流出導(dǎo)流葉片后的出水側(cè)匯聚成一個(gè)大的環(huán)流，局部阻力較大，冷卻水流出困難，進(jìn)出口總壓損失達(dá)到83%以上，此外主冷輥旋轉(zhuǎn)方向?qū)倝簱p失影響明顯。根據(jù)仿真結(jié)果提出在主冷輥兩側(cè)水箱分別添加導(dǎo)流葉片的改進(jìn)方案，可以為主冷輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

流延膜 主冷輥 流體力學(xué) 數(shù)值模擬 局部損失

流延是一種先進(jìn)的塑料膜成型工藝，流延裝備是塑料膜流延生產(chǎn)的母機(jī)，現(xiàn)代流延膜生產(chǎn)將熱熔后的塑料熔體從擠出機(jī)模頭中擠出，熔融樹脂經(jīng)機(jī)頭流延到表面光潔的冷卻輥上迅速冷卻成薄膜。我國從20世紀(jì)80年代中期開始引進(jìn)國外單層流延膜生產(chǎn)線，寬只有1.0～1.5m；90年代后從德國、日本、意大利及美國等國引進(jìn)了多層流延膜生產(chǎn)線，寬2.0～2.5m；2000年以來流延技術(shù)突飛猛進(jìn)，寬幅4.0～4.5m，國產(chǎn)設(shè)備得到快速發(fā)展[1,2]。

流延膜的冷卻成型過程主要發(fā)生在流延輥上，流延輥冷卻效果直接影響到流延膜的質(zhì)量和產(chǎn)量，為了獲得高質(zhì)量的薄膜，需要在流延膜的冷卻機(jī)理、流延輥的工作原理、內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究。李鋼等對雙向回流式流延輥的換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究了流道結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)對流延輥換熱能力的影響[3,4]。李曉偉等對熟料薄膜的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了流延輥內(nèi)壁溫度分布和塑料薄膜溫度隨時(shí)間變化曲線[5]。吳哲浩和麻向軍對平行流道流延輥的冷卻過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同流延膜厚度和流延輥轉(zhuǎn)速條件下流延膜的溫度場[6]。董野建立了流延輥換熱仿真過程中的理論模型，研究流延輥的結(jié)構(gòu)尺寸、冷卻水的流量對流延輥質(zhì)量的影響規(guī)律[7]。上述研究工作中，主要對流延膜、流延輥之間的傳熱進(jìn)行了研究，而對流延輥內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律研究較少。筆者借助Fluent軟件對5.1m寬幅流延膜主冷輥內(nèi)部冷卻水流動(dòng)性能進(jìn)行仿真研究，分析主冷輥內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果對主冷輥結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案。

1 主冷輥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主冷輥是直徑較大的鋼輥，表面經(jīng)特殊的鈍化處理(鍍硬鉻)，內(nèi)部中空設(shè)有內(nèi)套，內(nèi)套上焊有平直或螺旋形的導(dǎo)流片，鋼輥、內(nèi)套、導(dǎo)流片之間的空間形成流道，冷卻水在流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。

按流道布局分，主冷輥主要有平行流道和螺旋流道兩種。平行流道結(jié)構(gòu)簡單，冷卻水水流阻力小，但冷卻水與主冷輥的接觸面積小，輥面溫度場的均勻性差。螺旋式的流道采用螺紋導(dǎo)流片，冷卻水與主冷輥接觸面積大，輥面溫度場較均勻，但冷卻水水流阻力較大。按冷卻水的流動(dòng)方向，主冷輥有單向流動(dòng)和雙向流動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)。單向流道結(jié)構(gòu)要保證主冷輥表面溫度均勻性，需加大冷卻水的流動(dòng)速度。圖1為單向螺旋主冷輥結(jié)構(gòu)。

圖1 單向螺旋主冷輥結(jié)構(gòu)

2 流體管道局部阻力分析

2.1 局部阻力的產(chǎn)生

流體經(jīng)過局部閥件、管件時(shí)，會(huì)發(fā)生多種情況的局部阻力損失。層流的局部損失是各流層之間的粘性切應(yīng)力引起的，幾何邊界條件的改變，流層進(jìn)行重新調(diào)整，流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生劇烈變形，加強(qiáng)了各流層的相對運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生了局部的能量損失。

對于湍流而言，情況比層流復(fù)雜且難以分析，總的來說漩渦區(qū)的形成和二次流是產(chǎn)生局部損失的主要原因[8,9]。

2.1.1 形成漩渦區(qū)

流體在通過突擴(kuò)管、突縮管、彎管及三通管等局部管件時(shí)，因慣性主流與壁面分離形成漩渦區(qū)產(chǎn)生局部損失，如圖2a～d所示；在漸擴(kuò)管內(nèi)，沿程減速增壓，主流與邊壁脫離形成漩渦區(qū)，如圖2e所示；在漸縮管內(nèi)，沿程增速減壓，當(dāng)收縮角較大時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漩渦區(qū)，如圖2f所示。由以上分析可以看出，流速大小和方向的改變，局部損失總是和漩渦區(qū)有關(guān)，漩渦區(qū)是局部損失形成的主要原因。

圖2 幾種典型局部阻力流態(tài)示意圖

2.1.2 形成二次流

在流體流經(jīng)彎管時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生分離，形成漩渦區(qū)，而且還會(huì)產(chǎn)生與主流方向正交的二次流，產(chǎn)生能量損失，如圖3所示。

圖3 彎管二次流形態(tài)示意圖

2.2 減小局部阻力的方法

在各種管路設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小局部損失，盡量避免流通有效斷面發(fā)生突化，在有效斷面有較大改變之處常常采用錐形過渡，在精度要求較高的管路中應(yīng)采用光滑的流線型壁面。常見減小局部損失的方法有：過流斷面的幾何尺寸適當(dāng)增大；盡可能減少管路上的局部裝置；調(diào)整局部管件突變界面的光滑程度[10]。

3 主冷輥流動(dòng)數(shù)值仿真模型

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

主冷輥內(nèi)部流道幾何模型如圖4所示，主冷輥結(jié)構(gòu)為單向螺旋流道結(jié)構(gòu)，輥筒直徑1.2m，輥面寬幅5.1m。冷卻水從左側(cè)流入經(jīng)6個(gè)分支管進(jìn)入主冷輥?zhàn)髠?cè)水箱，隨后由導(dǎo)流片的引導(dǎo)向右側(cè)流出。主冷輥內(nèi)部流道全部采用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為374萬，如圖5所示。

圖4 主冷輥內(nèi)部流道模型

圖5 主冷輥內(nèi)部流道網(wǎng)格劃分

3.2 操作參數(shù)

筆者進(jìn)行了5組工況研究(表1)，冷卻水由左側(cè)(x負(fù)軸)流入，右側(cè)(x正軸)流出。編號(hào)前面的數(shù)字表示入口壓力，后面的數(shù)字表示主冷輥旋轉(zhuǎn)量，如工況代碼L0.3_R0中L0.3表示入口壓力0.3MPa，R0表示滾筒旋轉(zhuǎn)量為0rad/s，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閤軸負(fù)向，為基準(zhǔn)工況。其中工況L0.3_R(X)0.5旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閤正軸。

表1 仿真模擬參數(shù)

4 主冷輥內(nèi)部流動(dòng)仿真結(jié)果

4.1 基準(zhǔn)工況流線分布

圖6為基準(zhǔn)工況L0.3_R0流線分布圖，可以看出，冷卻水從入口流入后通過6個(gè)孔流入輥筒左側(cè)，然后經(jīng)6組導(dǎo)流葉片的引導(dǎo)呈順時(shí)針螺旋線向x軸正方向流動(dòng)；在輥筒右側(cè)，6組冷卻水流出導(dǎo)流葉片后匯聚成一個(gè)大的環(huán)流，呈逆時(shí)針螺旋流動(dòng)，從流線可以看出，從出口流出的冷卻水亦呈逆時(shí)針螺旋流動(dòng)?？偟膩砜?，冷卻水由左側(cè)導(dǎo)流葉片流入輥筒后，整體都是旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

圖6 主冷輥內(nèi)部流線分布

4.2 基準(zhǔn)工況速度、矢量圖分布

圖7為基準(zhǔn)工況L0.3_R0左右兩側(cè)水箱截面速度云圖和矢量圖分布，由左側(cè)云圖和矢量圖可以看出，冷卻水流入輥筒左側(cè)水箱后分成6組主流向外流動(dòng)，快抵達(dá)外圓時(shí)，主流開始朝向?qū)Я魅肟谔幜鲃?dòng)，因此可以發(fā)現(xiàn)6組主流末端各自都有轉(zhuǎn)折。此外，主流以外的流體流到外圓后受到壁面的阻擋而往回流動(dòng)，形成了明顯的回流。由右側(cè)云圖和矢量圖可以看出，冷卻水流出導(dǎo)流葉片后在右側(cè)水箱匯聚成一個(gè)大的環(huán)流，環(huán)流外圍速度小，中間速度大。從右側(cè)云圖和量圖可以看出，冷卻水斜著從小管流出，流體流出困難，阻力較大。

圖7 主冷輥?zhàn)笥覂蓚?cè)水箱截面速度云圖和矢量圖

4.3 不同截面處壓力分布

圖8為基準(zhǔn)工況L0.3_R0在距離中心不同位置處截面的動(dòng)壓分布，可以看出，不同截面倒流葉片內(nèi)的動(dòng)壓分布不同，即流速不一樣，靠近入口處動(dòng)壓分布差異越明顯。

圖8 距離主冷輥中心不同位置處截面動(dòng)壓分布

在入口總壓為0.3MPa的情況下，基準(zhǔn)工況L0.3_R0下的入口流速為8.55m/s，入口流量347.5t/h，出口總壓0.046MPa，總壓損失0.254MPa，總壓損失比達(dá)到了84.5%。

4.4 不同工況參數(shù)下仿真結(jié)果對比

表2為不同工況下的仿真結(jié)果對比，可以看出，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下進(jìn)出口總壓損失達(dá)83%以上，壓力損失較大；當(dāng)入口壓力增大時(shí)，輥筒內(nèi)的速度增加，壓力損失百分比變化不大；主冷輥旋轉(zhuǎn)且與主流方向相反時(shí)，流體流速增加，壓力損失降低；主冷輥旋轉(zhuǎn)且與主流方向相同時(shí)，流體速度降低，壓力損失增大。

表2 不同工況下仿真結(jié)果對比

5 結(jié)論

5.1 冷卻水進(jìn)入水箱后，在水箱內(nèi)部形成了6個(gè)較大回流區(qū)和多個(gè)小的回流區(qū)；冷卻水流出導(dǎo)流葉片后匯聚成一個(gè)大的環(huán)流，環(huán)流外圍速度小，中心位置速度大；右側(cè)出水口流出的冷卻水亦呈螺旋流動(dòng)流出；回流區(qū)的產(chǎn)生和大的環(huán)流會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力的增大。

5.2 冷卻水由左側(cè)導(dǎo)流葉片流入輥筒后，整體沿著導(dǎo)流片呈旋轉(zhuǎn)狀向前流動(dòng)，各個(gè)導(dǎo)流片內(nèi)的流體流動(dòng)不均勻，尤其在距離左側(cè)入口較近處更明顯。

5.3 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)情況下，進(jìn)出口總壓損失達(dá)到83%以上，壓力損失較大，主冷輥旋轉(zhuǎn)方向?qū)倝簱p失影響明顯，流體域旋轉(zhuǎn)方向與主流方向一致時(shí)，壓力損失增大，主冷輥旋轉(zhuǎn)與主流方向相反時(shí)，流體損失減小。

5.4 根據(jù)仿真結(jié)果，為了降低主冷輥內(nèi)部流動(dòng)局部阻力，建議從左右兩側(cè)水箱入手，分別在兩端水箱內(nèi)添加新的導(dǎo)流葉片，左側(cè)水箱添加導(dǎo)流葉片起到降低漩渦流的同時(shí)，又讓進(jìn)入各個(gè)導(dǎo)流葉片的冷卻水流量更加均勻；右側(cè)水箱添加導(dǎo)流葉片可以快速引導(dǎo)冷卻水流出輥筒，降低局部阻力。此外，滾筒旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與主流方向相反。

[1] 吳夢旦.流延膜及其設(shè)備[J].輕工機(jī)械，2001，19(3)：2～5.

[2] 陶宏.國際視野下的中國流延膜應(yīng)用與新發(fā)展[J].國外塑料，2009，27(1)：52～58.

[3] 李鋼，孫宇，董野.基于Fluent仿真的流延輥流道設(shè)計(jì)研究[J].塑料，2008，37(6)：35～38.

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NumericalSimulationResearchonFlowinMainChillRollerofCastingFilmEquipment

YIN Shu-gui1,ZHANG Hua-wei1,WU Zhi-heng1,ZHANG Chun-hua2,CHEN Yong2

(1.GuangdongInstituteofIntelligentManufacturing;2.GuangdongSimchengPlasticMachineCo.,Ltd.)

Having the fluid dynamics simulation software adopted to simulate internal flow characteristics at multiple conditions in the main chill roller shows that,the chill water into the main chill roller can create several large recirculation zones at the inlet side of the tank;and at the tank’s outlet side,the cooling water outflowing guide vanes can converge into a large circulation;and the big local resistance makes the outflow of cooling water difficult and the total import &export pressure loss stays above 83% and rotation direction of the main chill roller significantly affects the total pressure loss.Adding guide vanes to both sides of the main chill roller’s water tank was proposed to provide the guidance for optimal design of the main chill roller.

casting film,main chill roller,hydromechanics,numerical simulation,local loss

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A040401062，2015A030401072，2015B010111001，2016GDASPT-0106)

殷術(shù)貴(1986-)，工程師，從事機(jī)械、熱工等設(shè)備的CFD數(shù)值模擬工作。

聯(lián)系人吳智恒(1970-)，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事機(jī)電一體化工作，wuzhiheng23@163.com。

TQ022.1

A

0254-6094(2017)04-0447-05

2016-10-31)

(Continued from Page 416)

mined by the bending moment and the torque,the stress was calculated and compared with the allowable fatigue strength of the spindle made of certain materials and at certain temperature so as to determine feasibility of the wall thickness assumed,in this way,the strength calculation and check of the rotating spindle bearing a certain internal pressure is completed.

Keywordsdrying equipment,rotating spindle,fatigue fracture,damage by internal pressure,strength check,calculating wall thickness