彭 松，王炳楠，劉天力，黃 鵬，鄭大元，李金貴

（1.北京奔馳汽車有限公司，北京100176；2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津300380）

烘干室是涂裝車間至關(guān)重要的設(shè)備， 烘干加熱是否均勻直接關(guān)系到涂層顏色的一致性和漆膜性能的優(yōu)劣。由于汽車車身屬于外形較復(fù)雜、體積較大的空腔結(jié)構(gòu)件，烘干室想要將其表面的漆膜加熱均勻，獲得優(yōu)質(zhì)的漆膜質(zhì)量，就需要優(yōu)質(zhì)的氣流流場，而進(jìn)風(fēng)口布置及噴嘴設(shè)置對烘干室內(nèi)流場影響尤為明顯。 因此，在烘干室設(shè)計過程中，有必要針對特定的烘干室結(jié)構(gòu)， 對進(jìn)風(fēng)口的布置方式及噴嘴的選用進(jìn)行對比，從而選出最適合的方案，使烘干室整體減少熱風(fēng)損耗浪費(fèi)，更好地秉承節(jié)能減排的設(shè)計理念。

1 烘干室結(jié)構(gòu)簡介

烘干室一般由主室體通道、出入口、熱風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)及電控系統(tǒng)四部分組成。 主室體通道是一個保溫箱體，主要包括加熱段和保溫段兩部分；出入口為了防止熱空氣外溢，設(shè)置風(fēng)幕裝置來實(shí)現(xiàn)氣封；熱風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)包括加熱裝置、換熱器、風(fēng)機(jī)及熱風(fēng)管路；電控系統(tǒng)主要是根據(jù)涂料性質(zhì)及工藝要求，監(jiān)控并調(diào)節(jié)烘干室內(nèi)溫度在合適的范圍之內(nèi)。

本文涉及的烘干室按照外形分類為直通式烘干室（如圖1 所示），主室體主要包括頂部、斜上方、側(cè)方、斜下方及底部五部分。 本文通過仿真技術(shù)建模研究烘干室主室體斜上方、側(cè)方、斜下方及底部是否設(shè)置進(jìn)風(fēng)口及噴嘴對烘干室內(nèi)流場的影響，從而得到最佳布置方案， 提高熱空氣與汽車車身的換熱效率，保證漆膜質(zhì)量，更加節(jié)能環(huán)保，具有重要應(yīng)用價值。

圖1 特定烘干室結(jié)構(gòu)示意圖

2 進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置優(yōu)化方案

本文研究的是進(jìn)風(fēng)口布置方式及噴嘴對烘干室內(nèi)流場的影響，因此噴嘴的口徑、形狀、角度均保持一致。

2.1 斜上方、側(cè)方、斜下方、底部均設(shè)置進(jìn)風(fēng)口及噴嘴

保留烘干室斜上方、側(cè)方、斜下方及底部進(jìn)風(fēng)口及噴嘴，形成“全開式”進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置方式，全面地獲得各個位置進(jìn)風(fēng)口的流場情況，其中，烘干室體寬度方向?yàn)閄 方向，高度方向?yàn)閅 方向，長度方向?yàn)閆 方向，如圖2 所示。

圖2 烘干室“全開式”布置方式示意圖

2.2 斜上方兩側(cè)設(shè)置非對沖間隔式進(jìn)風(fēng)口及噴嘴

分別關(guān)掉斜上方的一個大口徑進(jìn)風(fēng)口， 使烘干室形成非對沖間隔式的進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置方式，研究斜上方大口徑進(jìn)風(fēng)口及噴嘴對整個烘干室流場穩(wěn)定性的影響。

2.3 側(cè)方、斜下方、底部分別不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口

保留斜上方設(shè)置非對沖間隔式進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置，分別關(guān)掉側(cè)方、斜下方、底部進(jìn)風(fēng)口，形成三種關(guān)掉某個方向進(jìn)風(fēng)口的布置方式，從而判斷側(cè)方、斜下方、底部送風(fēng)是否可以作為一種穩(wěn)定的輔助送風(fēng)手段。

2.4 斜上方、側(cè)方、斜下方、底部分別不設(shè)置噴嘴

保留非對沖間隔式的進(jìn)風(fēng)口布置方式， 但分別不保留斜上方、側(cè)方、斜下方及底部噴嘴，從而判斷是否設(shè)置噴嘴對進(jìn)風(fēng)口流場分布的影響。

3 烘干室室體數(shù)值模擬

從前主要依靠實(shí)驗(yàn)測量和理論分析來獲得設(shè)計參考的領(lǐng)域，包括汽車交通、航空航天、土木建筑、流體機(jī)械、艦艇船舶等，如今CFD 仿真技術(shù)正成為快速獲得解決方案的研究手段。 由于本文研究主要涉及烘干室內(nèi)流場分布，主要為流體流動過程，因此可以利用CFD 仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。 本研究根據(jù)不同進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置方案建立幾何模型， 按照實(shí)際情況設(shè)置進(jìn)口及出口風(fēng)速， 通過對比不同方案下的烘干室流場分布以及各進(jìn)風(fēng)口截面的最高速度與平均速度變化情況， 獲得最佳的進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置方案。

3.1 計算域的確定

由于烘干室整體較長，且具有周期性和重復(fù)性，因此選擇一段烘干室作為研究對象建立物理模型，不會影響整個流體仿真的結(jié)果。 由于本文研究主要涉及烘干室內(nèi)空氣流場及進(jìn)風(fēng)口截面處流場， 因此在建立物理模型時， 對烘干室部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，移除模型中存在的不影響計算結(jié)果的細(xì)小特征，而保留需要關(guān)注的細(xì)節(jié)部分， 包括進(jìn)出風(fēng)口的位置及大小、噴嘴形狀、底部分區(qū)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，最終確定計算域。

3.2 網(wǎng)格劃分的計算

計算域確定后，對計算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Fluent Meshing 網(wǎng)格劃分技術(shù)， 對進(jìn)風(fēng)口、 出風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口截面及噴嘴進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，將面網(wǎng)格傾斜度質(zhì)量提升到0.65 以下，并最終生成傾斜度質(zhì)量在0.8 左右的多面體體網(wǎng)格。

3.3 物理模型的選擇

為了簡化物理模型， 烘干室的入口風(fēng)速處于穩(wěn)態(tài)，烘干室內(nèi)氣體為不可壓縮流體。在本次烘干室室體數(shù)值模擬中，連續(xù)相的流動是基于連續(xù)性方程、動量方程和計算湍流的k-ε 方程進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.4 邊界條件的確定

在模型的仿真計算中，烘干室實(shí)際風(fēng)量為24000 m3/h， 左右共12 個面積分別為0.367 m2的進(jìn)風(fēng)口，因此計算得烘干室體送風(fēng)風(fēng)速為1.51 m/s， 由于烘干室近似處于風(fēng)平衡狀態(tài)， 通過烘干室上方6 個面積分別為0.75 m2的出風(fēng)口，可推算出烘干室體出風(fēng)風(fēng)速為7.41 m/s，從而確定邊界風(fēng)速。 將噴嘴截面設(shè)置為內(nèi)部面，將堵住的噴嘴截面設(shè)置為墻體。

3.5 初始化并迭代計算

在以上工作進(jìn)行完畢后，設(shè)定監(jiān)控物理量、收斂標(biāo)準(zhǔn)、精度控制等求解參數(shù)，并在迭代計算之前進(jìn)行初始化。

4 烘干室室體結(jié)構(gòu)分析

4.1 斜上方大口徑進(jìn)風(fēng)口及噴嘴的最佳布置方式的確定

通過對仿真結(jié)果的后處理， 進(jìn)風(fēng)口截面流場分布如圖3 所示。

圖3 進(jìn)風(fēng)口截面流場分布圖

通過對“全開式”和非對沖“間隔式”的數(shù)據(jù)對比，包括進(jìn)風(fēng)口的流場分布、最大速度、截面流量及烘干室截面流場可知：兩種布置方式斜上方、側(cè)方及斜下方進(jìn)風(fēng)口截面處均為貼壁向中心速度逐漸增加的分布方式，并體現(xiàn)較好的左右對稱性；“全開式”底部進(jìn)風(fēng)口截面存在偏心分布， “間隔式”底部進(jìn)風(fēng)口截面偏心分布有所減弱，氣流流動狀態(tài)趨于規(guī)律。

“全開式”及“間隔式”進(jìn)風(fēng)口最大速度及截面流量如圖4 所示。 相對于“全開式”，“間隔式”斜上方、側(cè)方、 斜下方及底部進(jìn)風(fēng)口截面最大速度及截面流量均顯著提高。

圖4 “全開式”及“間隔式”進(jìn)風(fēng)口最大速度及截面流量圖

圖5 為兩種布置方式在Z 方向截面流場分布情況。 “全開式”兩側(cè)下射氣流在烘干室中心處相遇且互相影響，而“間隔式”避免了這種現(xiàn)象，提高了進(jìn)風(fēng)口下射速度，增強(qiáng)了流場的穩(wěn)定性，同時減少了不必要的能量損失。

4.2 不同位置是否設(shè)置進(jìn)風(fēng)口的確定

通過分別取消側(cè)方、斜下方及底部進(jìn)風(fēng)口，對比其他進(jìn)風(fēng)口截面的數(shù)據(jù)及烘干室截面的流場狀態(tài)，各位置進(jìn)風(fēng)口最大速度和截面流量如圖6 所示。 相對于“間隔式”布置方式，側(cè)方、斜下方及底部不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口時， 各位置進(jìn)風(fēng)口截面最大速度及截面流量均顯著提高，斜下方不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口時提高幅度最大，底部次之，側(cè)方最小。

底部不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口時, 各截面流場分布如圖7所示：底部不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，烘干室內(nèi)流場狀態(tài)良好，噴射氣流能較充分發(fā)展，可以達(dá)到烘干室各區(qū)域；側(cè)方及斜下方不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口時， 流場對稱性雖有所增強(qiáng)，但噴射氣流所影響的范圍明顯減弱，烘干室內(nèi)氣流速度偏低的區(qū)域明顯增加， 烘干室整體流場狀態(tài)分布較差。

圖5 Z 方向流場分布圖

圖6 各位置進(jìn)風(fēng)口最大速度及截面流量圖

4.3 不同位置是否設(shè)置噴嘴的確定

由于各位置進(jìn)風(fēng)口是否設(shè)置噴嘴對流場分布影響結(jié)果相同， 故只提供設(shè)置與不設(shè)置噴嘴的結(jié)果對比（如圖8 所示）。不設(shè)置噴嘴，截面的最大下射速度降低，氣流剛性減弱，易受到其他進(jìn)風(fēng)口噴射氣流的影響。

5 根據(jù)模擬結(jié)果提出進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置方案

根據(jù)對進(jìn)風(fēng)口及烘干室內(nèi)截面的模擬仿真結(jié)果， 對特定結(jié)構(gòu)的烘干室得出以下優(yōu)化方案：（1）斜上方大口徑進(jìn)風(fēng)口采用非對沖的“間隔式”布置方式，盡量減少左右噴射氣流間的相互干擾；（2）側(cè)方和斜下方均布置進(jìn)風(fēng)口， 作為一種穩(wěn)定的輔助進(jìn)風(fēng)手段，底部不設(shè)置進(jìn)風(fēng)口；（3）各位置進(jìn)風(fēng)口均需設(shè)置噴嘴，保證噴射氣流的剛性。

為驗(yàn)證所選優(yōu)化方案可行性， 將加熱工件車放入烘干室體，再次進(jìn)行仿真模擬，斜上方、側(cè)方及斜下方、車身周圍送風(fēng)效果如圖9～圖11 所示。

由圖9 可知， 烘干室體左右兩側(cè)斜上方進(jìn)風(fēng)口所送熱風(fēng)，可通過車窗直接送達(dá)加熱工件車內(nèi)，與加熱工件內(nèi)部充分接觸， 保證加熱工件內(nèi)部充分均勻受熱。由圖10 可知，烘干室體側(cè)方進(jìn)風(fēng)口所送熱風(fēng)，可直接吹到加熱工件側(cè)方對車體左右兩側(cè)加熱，而斜下方進(jìn)風(fēng)口所送熱風(fēng)針對加熱工件底盤及裙邊，可以達(dá)到良好的加熱效果。 由圖11 可知，優(yōu)化方案進(jìn)風(fēng)口所送熱風(fēng)，均與加熱工件實(shí)現(xiàn)良好接觸，車身內(nèi)部、側(cè)方及底部均可充分均勻受熱，未出現(xiàn)熱風(fēng)與工件沒有充分接觸就被出風(fēng)口帶入三元體及四元體，造成不必要的能源浪費(fèi)的現(xiàn)象。 綜上所述，該烘干室體所選優(yōu)化方案具有可行性。

6 結(jié)語

本文通過模擬仿真及理論分析，得出非對沖“間隔式”的大口徑進(jìn)風(fēng)口布置，側(cè)方和斜下方設(shè)置進(jìn)風(fēng)口作為穩(wěn)定的輔助送風(fēng)手段，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置噴嘴，均有利于烘干室內(nèi)形成優(yōu)質(zhì)的空氣流場分布。

圖7 各截面流場分布圖

圖8 設(shè)置噴嘴與不設(shè)置噴嘴截面流場分布對比圖

圖9 斜上方送風(fēng)口送風(fēng)效果圖

圖10 側(cè)方及斜下方送風(fēng)口送風(fēng)效果圖

圖11 車身周圍所送熱風(fēng)效果圖

良好的烘干室進(jìn)風(fēng)口及噴嘴布置方式， 有利于提高烘干室內(nèi)循環(huán)熱風(fēng)的利用效率， 降低循環(huán)風(fēng)機(jī)等動力設(shè)備的能量損耗， 保證車身表面獲得優(yōu)質(zhì)的漆膜質(zhì)量，在行業(yè)中具有推廣價值。