懸浮式烘箱的數(shù)值模擬分析碩士論文.pdf

摘要 論文題目：懸浮式烘箱的數(shù)值模擬分析 學(xué)科專業(yè)：印刷包裝技術(shù)與設(shè)備 研究生：厲勝 指導(dǎo)教師：張海燕教授 侯和平講師 摘要 簽 簽 簽 涂布設(shè)備在日漸發(fā)展的國內(nèi)包裝印刷行業(yè)中占有舉足輕重的地位，涂布設(shè)備干燥裝置 的性能直接制約著整機(jī)的速度以及涂布產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，研究高效優(yōu)質(zhì)的新型干燥結(jié)構(gòu) 對于涂布設(shè)備的設(shè)計創(chuàng)新具有非常重要的意義。本文結(jié)合熱風(fēng)對流干燥原理和流體力學(xué)相 關(guān)理論，對懸浮式烘箱風(fēng)嘴內(nèi)部的熱風(fēng)流動狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，為懸浮式烘箱 整體性能的系統(tǒng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。 研究的主要工作和成果包括： ( 1 ) 結(jié)合涂布干燥的不同方式和熱風(fēng)對流干燥原理，分析影響干燥速率的主要因素 和不同形式風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)特性，為懸浮式烘箱的設(shè)計提供理論支持； ( 2 ) 依據(jù)廠家提供的相關(guān)參數(shù)和涂布設(shè)備烘箱設(shè)計的經(jīng)驗參數(shù)，建立懸浮式烘箱風(fēng) 嘴的三維數(shù)值模型。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，建立熱風(fēng)在烘箱風(fēng)嘴內(nèi)流動狀態(tài)的質(zhì)量守恒 方程、動量守恒方程和能量守恒方程，確定熱風(fēng)流體域和模擬過程中的初始條件。 ( 3 ) 借助流體力學(xué)分析軟件f l u e n t 在流動基本方程控制下對風(fēng)嘴內(nèi)部及出口處熱風(fēng) 的流動狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到工作情況下風(fēng)嘴內(nèi)部及基材附近熱風(fēng)速度和壓力的相 關(guān)特性，分析基材的懸浮狀態(tài)。 ( 4 ) 對不同參數(shù)下的干燥過程中風(fēng)嘴內(nèi)部熱風(fēng)流動狀態(tài)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到不 同參數(shù)下干燥過程中熱風(fēng)的相關(guān)特性，為懸浮式烘箱在實際生產(chǎn)中應(yīng)用于不同的基材提供 參考。 關(guān)鍵詞：涂布設(shè)備；干燥；懸浮式烘箱；f l u e n t 軟件 本研究得到陜西省“1 3 1 1 5 ”科技創(chuàng)新工程( 編號：2 0 0 8 z d g c 一1 1 ) 的資助。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 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 鋤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 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 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 鋤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 干燥裝置研究背景 近幾年，國內(nèi)和國外印刷包裝行業(yè)的發(fā)展都非常迅猛，涂布設(shè)備是包裝印刷企業(yè)，尤 其標(biāo)簽印刷企業(yè)中常見的重要生產(chǎn)設(shè)備。目前的涂布設(shè)備正在向多色化、多功能以及連線 加工自動化生產(chǎn)的方向發(fā)展；隨著熱熔膠涂布技術(shù)和干式復(fù)合涂布技術(shù)的廣泛應(yīng)用，涂布 產(chǎn)品更是向著高質(zhì)量、高精度、綠色環(huán)保的趨勢發(fā)展。涂布產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、 合格率、優(yōu)等品率等關(guān)鍵參數(shù)均與干燥裝置有著相當(dāng)大的關(guān)系。干燥裝置是制約涂布設(shè)備 向著高速方向發(fā)展的最主要因素之一，如果涂布產(chǎn)品得不到很快、很好地干燥，相應(yīng)的整 機(jī)速度就得不到提高。另外，由于干燥效率和涂布過程中溶劑殘留量有著直接的關(guān)系，干 燥效率也影響了涂布加工產(chǎn)品的質(zhì)量。涂布設(shè)備中干燥系統(tǒng)所消耗的能源占到整機(jī)能源消 耗的6 0 一7 0 ，使得干燥裝置成為涂布設(shè)備能耗最大的機(jī)構(gòu)之一；在全球倡導(dǎo)節(jié)能減 排浪潮的沖擊下，減少干燥過程中廢氣的排放更是理想干燥裝置的一個關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。因 此，新型干燥裝置的研究開發(fā)對于涂布設(shè)備提高速度以及環(huán)境保護(hù)方面都有著廣泛的前景 和深遠(yuǎn)的意義。這些年來，尋求新的干燥方法和干燥裝置成為世界印刷包裝行業(yè)廠家和科 研機(jī)構(gòu)積極研究開發(fā)的一個重要方向。 國外對干燥裝置的研究起步比較早，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，以理論分析為基礎(chǔ)，并進(jìn)行 了大量的工程實驗，得到了許多干燥性能參數(shù)，結(jié)合實驗結(jié)果的反饋再進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè) 計。因此，國外在干燥裝置的研發(fā)方面一直處于領(lǐng)先地位。英國的p o l y t y p e 公司設(shè)計生 產(chǎn)的懸浮式干燥裝置，使得涂布基材在整個干燥過程中能夠完全不依托于支撐輥的支持， 自身處于懸浮狀態(tài)，這樣基材的正反兩面均可與干燥介質(zhì)接觸，大幅度提高了干燥效率和 能源利用率，進(jìn)而提高了整個機(jī)組的生產(chǎn)效率陽1 。 國內(nèi)對于涂布設(shè)備的研究起步比國外晚了至少四五十年，設(shè)計技術(shù)大多是從國外引進(jìn) 的n 1 。在干燥裝置的設(shè)計開發(fā)中，由于涉及到流體力學(xué)、空氣動力學(xué)等領(lǐng)域較深，沒有形 成統(tǒng)一的理論指導(dǎo)；再加上實驗條件的限制，使得設(shè)計過程中缺乏足夠的實驗驗證，研發(fā) 過程中參數(shù)的確定很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗和對國外機(jī)型的參照。國內(nèi)涂布設(shè)備生 產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計中一般采用類比的方法，沒有從理論上進(jìn)行深入的分析；由于模仿的成份太 多，國內(nèi)生產(chǎn)的干燥裝置在很多技術(shù)指標(biāo)上達(dá)不到要求；為了達(dá)到目標(biāo)干燥效果不得不采 取降低設(shè)備速度、提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和功率、采用含有很多苯類物質(zhì)的快干溶劑等辦法彌補(bǔ) 設(shè)計上的不足。降低設(shè)備的速度就降低了生產(chǎn)效率；而提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和功率則會造成嚴(yán) 重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象；含苯類有機(jī)溶劑的使用使得涂布產(chǎn)品殘留的有害物質(zhì)增多，直接影響 了涂布產(chǎn)品的環(huán)保性和安全性。 我國作為一個包裝印刷的消費(fèi)大國，紙張、塑料薄膜、復(fù)合材料等在許多領(lǐng)域內(nèi)都有 著廣泛的應(yīng)用。隨著裝飾壁紙和包裝產(chǎn)品新技術(shù)、新材料、新標(biāo)準(zhǔn)的引入，涂布設(shè)備將會 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 向著高速、高精度、自動化、低能耗和綠色環(huán)保的方向發(fā)展“1 。然而，干燥裝置的落后嚴(yán) 重影響了國產(chǎn)涂布設(shè)備整體性能的提升，干燥裝置已經(jīng)成為制約我國涂布設(shè)備性能的瓶 頸，嚴(yán)重影響了我國涂布設(shè)備的市場拓展1 。因此，針對目前國內(nèi)涂布設(shè)備干燥裝置落后 于國外先進(jìn)水平的現(xiàn)狀，在現(xiàn)有干燥裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合涂布設(shè)備的干燥機(jī)理，研究開發(fā) 高效環(huán)保的新型干燥裝置是非常有必要的。 1 2 干燥裝置研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對涂布設(shè)備熱風(fēng)干燥裝置的相關(guān)研究起步較晚，對于干燥裝置中熱風(fēng)流動狀態(tài)的 流體力學(xué)和空氣動力學(xué)分析理論相對較少，這為本課題的研究帶來了較大的難度。但是， 現(xiàn)有的一些理論和研究基礎(chǔ)也對本課題的研究提供的很大的幫助。文獻(xiàn)【5 】系統(tǒng)的介紹 了熱風(fēng)氣浮式干燥方法的概念、原理、結(jié)構(gòu)以及這種干燥方法在生活用紙干燥領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng) 用情況。文獻(xiàn)【1 0 】介紹了涂布設(shè)備干燥裝置相關(guān)參數(shù)設(shè)定的依據(jù)及烘箱內(nèi)熱平衡計算的 方法。文獻(xiàn)【1 3 】概括介紹了組合式非接觸干燥的基本配置及其在能量消耗方面的一些特 點。文獻(xiàn)【1 9 】介紹了涂布設(shè)備干燥裝置中物料平衡、熱量平衡和熱濕平衡的相關(guān)計算方 法。通過對這些文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)研究，基本上了解了熱風(fēng)干燥裝置在國內(nèi)應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，以 及熱風(fēng)干燥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)依據(jù)。 目前，國內(nèi)并沒有直接將數(shù)值模擬方法直接應(yīng)用到懸浮式干燥裝置的先例，但是數(shù)值 模擬方法在其他領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)【2 1 】介紹了應(yīng)用計算機(jī)對 建筑暖通領(lǐng)域內(nèi)烘箱的三維速度場和壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬的：基本方法。文獻(xiàn)【2 3 】詳細(xì)介 紹了有限體積法在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的實現(xiàn)及其在流場模擬中的應(yīng)用情況。文獻(xiàn)【2 7 】以三維 湍流模型作為研究對象，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對流場進(jìn)行了分析。通過 對這些文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)研究，基本上了解了數(shù)值模擬的基本過程。 通過對這兩部分文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，大致了解了目前懸浮式干燥裝置在國內(nèi)基本上還處于研 發(fā)階段，而且也沒有形成成熟的理論體系。數(shù)值模擬的方法在懸浮式干燥裝置上的應(yīng)用更 是處于探索階段，這對本次課題研究既是一個創(chuàng)新的機(jī)遇，同時也是一個挑戰(zhàn)。 1 3 課題主要研究內(nèi)容 本文以涂布設(shè)備的干燥機(jī)理為基礎(chǔ)，從熱風(fēng)的形成出發(fā)，以流體力學(xué)的相關(guān)理論為基 礎(chǔ)，利用模擬流體流動及傳熱分析的專用軟件f l u e n t 為工具，根據(jù)新型烘箱的結(jié)構(gòu)尺寸 和相關(guān)工藝參數(shù)建立三維數(shù)值模型，分析熱風(fēng)在整個干燥系統(tǒng)中的運(yùn)動狀態(tài)，并對數(shù)值模 擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到了懸浮式干燥裝置風(fēng)嘴內(nèi)部和基材附近熱風(fēng)流動的速 度場和壓力場，驗證了基材在干燥過程中能夠不依靠導(dǎo)料輥的支撐，基本處于懸浮狀態(tài)。 主要的研究內(nèi)容包括以下幾個方面： ( 1 ) 根據(jù)熱風(fēng)干燥的基本原理和流體力學(xué)的相關(guān)理論知識，建立風(fēng)嘴內(nèi)部和基材附近 熱風(fēng)流動的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，確定可行的研究方案。 2 1 前言 ( 2 ) 對穩(wěn)定工作狀態(tài)下懸浮式干燥裝置風(fēng)嘴內(nèi)部和基材附近的熱風(fēng)流體域進(jìn)行三維 數(shù)值模擬，得到熱風(fēng)流動的速度場和壓力場分布情況，根據(jù)計算數(shù)據(jù)對風(fēng)嘴的相關(guān)性能進(jìn) 行評價；對風(fēng)嘴按照設(shè)計要求的整體排布情況進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出整體狀態(tài)下熱風(fēng)的 速度分布和基材上壓力分布情況。 ( 3 ) 結(jié)合風(fēng)嘴出風(fēng)口處熱風(fēng)速度的變化規(guī)律，對基材與風(fēng)嘴距離不同時風(fēng)嘴內(nèi)部及基 材附近的熱風(fēng)流體域進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)得到的速度場和壓力場的分布特性得出適用于工 程實際的參數(shù)應(yīng)用范圍。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一一 4 2 涂布干燥原理及裝置 2 涂布干燥原理及裝置 2 1 涂布干燥方式 涂布干燥的目的就是使涂料中的膠或者油墨等介質(zhì)均勻的滲入到基材中，使得涂層固 化、發(fā)泡，從而符合工藝要求陽1 。涂布干燥相對于普通凹版印刷紙張干燥的區(qū)別在于：一 是要除去涂料中多余的水分從而使得涂層得到固化，形成功能性表面；二是干燥過程中還 要使得涂料中的化學(xué)成分產(chǎn)生應(yīng)有的抗水性能和成膜性能，為基材進(jìn)入后續(xù)的加工程序提 供適應(yīng)條件1 。當(dāng)介質(zhì)為有機(jī)溶劑時，還要考慮在干燥過程的安全問題，以免發(fā)生火災(zāi)、 爆炸等安全事故；同時，涂布產(chǎn)品的干燥也關(guān)系到溶劑的殘留問題。 目前，涂布干燥常用的方法有對流干燥法、接觸干燥法和輻射干燥法等。利用加熱的 空氣為介質(zhì)，以對流傳熱為主的氣流干燥方式稱為熱風(fēng)對流干燥；熱風(fēng)對流干燥的加熱方 式有電加熱、熱油加熱等幾種。紅外干燥法是以輻射原理來達(dá)到干燥目的的，即遠(yuǎn)紅外元 件發(fā)出的輻射波長大致與涂層吸收的波長范圍相同時，根據(jù)匹配吸收原理，其分子受輻射 能的激發(fā)而產(chǎn)生共振吸收“1 。目前，涂布設(shè)備所采用的干燥形式以熱風(fēng)干燥居多，也有一 些設(shè)備采用熱風(fēng)干燥的同時并以紅外加熱作為輔助。 2 2 熱風(fēng)干燥原理 在熱風(fēng)對流干燥過程中，傳質(zhì)和傳熱現(xiàn)象是同時發(fā)生的。傳熱和傳質(zhì)的方向是相反的， 熱能由熱風(fēng)主體以對流的方式傳遞到涂布層的表面，然后冉由涂布層的表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部， 而溶劑卻是由涂布層的內(nèi)部向涂布層表面擴(kuò)散的。溫度差是傳熱的推動力，而溶劑的濃度 差或分壓差是傳質(zhì)的推動力。1 。熱風(fēng)對流干燥過程中傳熱和傳質(zhì)模式如圖2 1 所示。 懿象 ； 靜鑫，一一 圖2 一l 熱風(fēng)對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)過程 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 圖2 一l 中n 表示由印品表面汽化的溶劑量，q 表示由氣相傳給印品的熱量，p 表示熱 風(fēng)主體中溶劑的分壓，p s 表示印品表面的溶劑分壓，t s 表示熱風(fēng)主體的溫度，t 表示印 品表面的溫度，6 表示熱空氣膜的厚度。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 通過熱風(fēng)對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)過程可以知道，涂布產(chǎn)品的干燥是通過傳熱與傳 質(zhì)過程的同時作用來實現(xiàn)的。熱風(fēng)向涂布層傳遞熱量使溶劑蒸發(fā)而產(chǎn)生傳質(zhì)過程，即傳熱 過程能促進(jìn)傳質(zhì)過程的發(fā)生。而傳質(zhì)過程又分為兩種：一種是表面的溶劑蒸汽向熱風(fēng)中移 動的氣相傳質(zhì)；另一種是內(nèi)部溶劑向涂布層表面的擴(kuò)散移動。表面溶劑的汽化和內(nèi)部溶劑 的向外擴(kuò)散是同時進(jìn)行的，因此，傳熱速度和傳質(zhì)速度都會影響熱風(fēng)干燥速度。 2 3 干燥速率的影響因素 干燥速率是指每平方米干燥面積每小時蒸發(fā)的溶劑量陽1 。涂布產(chǎn)品干燥的過程受到很 多因素的綜合影響，其中干燥裝置對干燥速率的影響最大。除此之外，基材的化學(xué)性能、 涂布所用溶劑的化學(xué)性能、整機(jī)的速度以及外界環(huán)境因素等都會影響涂布產(chǎn)品的干燥速 率。式( 2 1 ) 給出了干燥速率e 與烘箱的有效長度l 及整機(jī)速度v 等相關(guān)因素之問的關(guān) 系。 f mz “一日廠 ( 2 1 ) 脫 l z 1j 式2 1 中，烘箱有效長度l 的計算公式為： 1 ，g 三2 _ 7 f 訂 ( 2 2 ) e f 坐一1 1 、7 l s 式中：m z 從烘箱排放的溶劑，單位：k g 1 1 ； 卜涂層的寬度，單位：m ； l 烘箱的有效長度，單位：m ； v 整機(jī)的速度，單位：1 1 1 s ； g _ 一涂布量，單位：k g m 2 ； m 一干燥后成品的溶劑含量百分比； s 涂料同含量百分比。 干燥裝置內(nèi)部熱風(fēng)的流動形式是影響干燥效率的主要因素。烘箱的有效長度、風(fēng)嘴的 結(jié)構(gòu)、風(fēng)嘴的排布情況、進(jìn)風(fēng)口與風(fēng)道的結(jié)構(gòu)以及烘箱內(nèi)部導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)和分布等因素都 會影響熱風(fēng)吹到基材表面的速度場和溫度場，進(jìn)而影響干燥效果和干燥速率。熱風(fēng)干燥裝 置的干燥速率主要由空氣撞擊涂布層的表面速度以及撞擊涂布層空氣的溫度決定。因此， 均勻的速度場和溫度場是達(dá)到均勻干燥效果的必要條件。在理想情況下，要求熱風(fēng)從風(fēng)嘴 噴射到涂層上的速度能夠與相鄰風(fēng)嘴噴射到涂層上的熱風(fēng)速度相一致，形成均勻的溫度場 和壓力場n 。 干燥過程中膠黏劑的遷移率是影響干燥速率的另一個重要因素，膠黏劑轉(zhuǎn)移到基材上 會造成原料的浪費(fèi)，轉(zhuǎn)移到涂層表面則會使涂層外表面結(jié)皮，影響干燥效果和涂布質(zhì)量m ，。 通常涂料固含量和涂布量比率不同的涂布產(chǎn)品的干燥速率也不同。 6 2 涂布干燥原理及裝置 整機(jī)速度對于干燥速率的影響也是比較大的，通常整機(jī)的速度越快，對涂布產(chǎn)品的干 燥速率就要求越快，因而對涂布干燥裝置的要求也就越高。如果干燥裝置不能適應(yīng)高速的 涂布過程，涂布產(chǎn)品就得不到完全干燥，進(jìn)而會造成卷曲、裂紋、起皮等質(zhì)量問題n ； 然而為了迎合較高的涂布速度盲目的增加風(fēng)機(jī)功率，則會造成能量的浪費(fèi)。 外界環(huán)境的溫度和濕度等因素也會影響到干燥速率。干燥過程的第一步就是通過風(fēng)機(jī) 將熱源周圍的空氣加熱，如果周圍空氣的溫度過低，不僅會造成更多的能源消耗，也會影 響干燥速率。空氣中水分含量過高會抑制涂層中溶劑的揮發(fā)；水分子聚集在涂層表面會形 成一層水膜，影響涂層內(nèi)部水分的蒸發(fā)。 2 4 風(fēng)嘴的設(shè)計 烘箱內(nèi)部的熱風(fēng)是通過風(fēng)嘴噴射到基材表面進(jìn)而完成傳熱和傳質(zhì)過程的，因此選擇合 適的風(fēng)嘴設(shè)計參數(shù)對干燥效果有著直接的影響。風(fēng)嘴的設(shè)計包括風(fēng)嘴的形式、風(fēng)嘴的間距、 風(fēng)嘴與基材的距離等多個參數(shù)。按照熱風(fēng)出口的形式，風(fēng)嘴可以分為多孔式風(fēng)嘴( 圖2 2 ) 和夾縫式風(fēng)嘴( 圖2 3 ) 。 1 l 一風(fēng)嘴，2 一基材 圖2 2 多孔式風(fēng)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 一風(fēng)嘴，2 一基材，3 一支持輥 圖2 3 夾縫式風(fēng)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 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 多孔式風(fēng)嘴對于設(shè)計和制造的精度要求都比較高，制造起來的誤差往往比設(shè)計所要求 的大很多；風(fēng)嘴中孔的大小和排布都會影響熱風(fēng)的流動狀態(tài)，在生產(chǎn)和實際應(yīng)用中有較大 局限性，因此在涂布設(shè)備干燥中應(yīng)用的較少。夾縫式風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，達(dá)到 全面吹風(fēng)和均勻干燥的效果也優(yōu)于多孔式風(fēng)嘴，因此在凹印設(shè)備和涂布設(shè)備的烘干裝置中 得到較廣泛的應(yīng)用，本文模型中采用的就是夾縫式干燥方式。 夾縫式干燥方式按照涂布基材在干燥裝置中是否依靠導(dǎo)輥支撐可分為直噴式和平衡 式兩種。直噴式干燥方式中涂布基材在干燥裝置中需要導(dǎo)輥的支撐，而平衡干燥過程中基 材是脫離導(dǎo)輥承托的n 蚰。直噴式干燥形式采用的是常規(guī)的l 型風(fēng)嘴，結(jié)構(gòu)相對簡單，在 干燥的過程中各項參數(shù)也比較容易控制。目前市場上常見涂布設(shè)備的干燥裝置大多數(shù)采用 的是直噴式結(jié)構(gòu)。但是這種干燥形式只能適用于速度較低的涂布設(shè)備，適合單面干燥且能 耗較大。對于整機(jī)速度較高以及雙面涂布的精密設(shè)備，就得選用平衡式干燥方式。 平衡式干燥是應(yīng)用干燥空氣的“附壁效應(yīng)”來使得基材和風(fēng)嘴之間形成氣墊的。氣翼式 干燥( 圖2 4 ) 和氣浮式干燥( 圖2 5 ) 都屬于高速熱風(fēng)平衡式干燥。氣翼式干燥裝置中的干燥 空氣從噴嘴的一側(cè)噴出后隨基材一起運(yùn)動，由于“附壁效應(yīng)”，使得基材離噴嘴有一定的距 離。氣浮式干燥中噴嘴是交錯對稱排布的，干燥空氣從噴嘴的兩側(cè)噴出，由于“附壁效應(yīng)”， 橫向的氣流與基材產(chǎn)生摩擦作用達(dá)到熱量的傳遞效果。 1 一風(fēng)嘴，2 一基材 圖2 4 氣翼式風(fēng)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 一風(fēng)嘴，2 一基材 圖2 5 氣浮式風(fēng)嘴 f i g 2 5f l o t a t i o n t y p en o z z l e 2 涂布干燥原理及裝置 風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計是干燥裝置中最關(guān)鍵的部分，風(fēng)嘴性能的好壞直接影響著干燥裝置的 整體性能。為了達(dá)到均勻干燥的目的，就要使得干燥裝置內(nèi)有均勻的速度場和溫度場。而 對于氣浮式干燥方式，在干燥過程中還要保證熱風(fēng)對于基材的壓力與基材本身在運(yùn)動過程 中的張力相互平衡。本文主要針對氣浮式風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱風(fēng)流體域內(nèi)的數(shù)值模擬分析， 得到風(fēng)嘴內(nèi)部以及基材附近熱風(fēng)的速度和壓力分布情況，進(jìn)而驗證基材在干燥過程中的懸 浮狀態(tài)。 9 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 0 3 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)與f 1 u e n t 軟件介紹 3 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)與f l u e n t 軟件介紹 3 1 計算流體力學(xué)基礎(chǔ) 計算流體力學(xué)( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，簡稱c f d ) 是利用數(shù)值方法借助計算機(jī) 求解描述流體運(yùn)動的數(shù)學(xué)方程，揭示流體運(yùn)動的物理規(guī)律，研究定常流體運(yùn)動的空間物理 特性和非定常流體運(yùn)動的時空物理特征的一門學(xué)科n 。計算流體力學(xué)的基本思想是：用一 系列有限個離散點上變量值的集合代替原先在時間域和空間域上的速度場和壓力場等連 續(xù)物理量場，依照一定的原則和方式來建立起反映這些離散點上場變量之問相互關(guān)系的代 數(shù)方程組，然后對代數(shù)方程組進(jìn)行迭代求解，從而獲得場變量的近似值，進(jìn)而得到所需要 的解n 。簡而言之，計算流體力學(xué)就是在質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程 等流動基本方程的控制下，對流體流動過程進(jìn)行的數(shù)值模擬計算，分析得到復(fù)雜流場內(nèi)部 不同位置上的速度、溫度、壓力、流量等物理量的分布情況以及這些物理量隨時問的變化 規(guī)律，為進(jìn)一步的設(shè)計和實驗提供參考依據(jù)。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)在流體力學(xué)上的深 入應(yīng)用，使得計算流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計、航空航天、環(huán)境工程、暖通空調(diào)等多個 學(xué)科領(lǐng)域。 3 2f l u e n t 軟件介紹 f l u e n t 是目前功能最全面、適用性最普遍的計算流體軟件之一，目前被廣泛應(yīng)用于模 擬分析復(fù)雜區(qū)域內(nèi)流體的流動和傳熱等問題。f l u e n t 軟件采用的是c 語言編寫的基于非結(jié) 構(gòu)化網(wǎng)格和有限體積法的通用c f d 求解器，它推出了多種優(yōu)化的物理模型，可用于二維 平面、二維軸對稱和三維流動分析，可完成多種參考系卜流場的模擬、定常及非定常流動 分析、不可壓縮流和可壓縮流計算、層流和湍流模擬、傳熱和熱混合分析、化學(xué)組分混合 分析和反應(yīng)分析、多相流分析、多孔介質(zhì)分析、固體與流體耦合傳熱分析等。 針對不同模擬對象的具體流動特點，f l u e m 軟件提供了多種求解方法以尋找最適合的 數(shù)值解法，用戶可以選擇顯式或隱式差分格式，以便達(dá)到最佳的計算速度、計算精度和穩(wěn) 定性“ 。f l u e n t 軟件具有強(qiáng)大的前處理和后處理功能，可以對多種物理模型進(jìn)行精確的 模擬。前處理軟件g 鋤b i t 綜合了幾何建模和劃分網(wǎng)格的功能，對待求解的流體域進(jìn)行幾 何建模后可以劃分多種高質(zhì)量網(wǎng)格，為后續(xù)的計算精度提供了保障；f l u e n t 軟件白帶的后 處理模塊能對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行顯示和分析。同時，f 1 u e m 軟件中多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù) 和先進(jìn)數(shù)值方法的應(yīng)用可以保證計算結(jié)果快速準(zhǔn)確的收斂。 利用f l u e n t 軟件求解問題時，首先要利用g 鋤b i t 軟件或者其他前處理軟件對待求解 的問題進(jìn)行幾何建模、劃分網(wǎng)格以及設(shè)定邊界條件舳，輸出用于f l u e n t 計算求解的文件 格式；然后利用f 1 u e n t 軟件強(qiáng)大的離散化功能在邊界條件的約束下對計算流體域進(jìn)行迭 代求解n ；求解完成后對計算結(jié)果進(jìn)行顯示和相應(yīng)的后處理。應(yīng)用f l u e n t 軟件求解問題 的具體步驟如下： 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 根據(jù)流體力學(xué)、熱力學(xué)等基本原理建立質(zhì)量、動量、能量、湍流特性等方程； ( 2 ) 建立待分析的數(shù)值模型并確定各控制方程中的封閉方法； ( 3 ) 從模型的物理特征出發(fā)確定模型的初始條件和邊界條件； ( 4 ) 通過劃分網(wǎng)格的方式將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散； ( 5 ) 建立離散化差分方程組； ( 6 ) 根據(jù)模型的特征制定求解的方法； ( 7 ) 迭代計算，判斷結(jié)果是否收斂，獲得達(dá)到精度要求的數(shù)值模擬結(jié)果； ( 8 ) 對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理和分析，得到直觀清晰的數(shù)據(jù)圖表等。 3 3 流場的數(shù)值描述 3 3 。1 質(zhì)量守恒方程( 連續(xù)性方程) 圖3 一l 流體控制微元體 f i g 3 1f l u i dc o n t r o lm i c r ou n i t 強(qiáng)薄震警 所有流動問題都要滿足質(zhì)量守恒方程，質(zhì)量守恒方程又被稱為連續(xù)性方程，可表述為： 在流場內(nèi)部任取一個封閉的區(qū)域，稱之為控制體微元，其表面為控制面，單位時間內(nèi)從控 制面流進(jìn)和流出控制體微元的流體質(zhì)量之差與單位時間內(nèi)該控制體微元質(zhì)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 對于定常流動，密度p 是不隨時間變化的，因此式3 1 變?yōu)椋?亟型+ 型+ 叢型：o 出 方 d z ( 3 2 ) 1 2 3 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)與f l u e n t 軟件介紹 對于定常不可壓縮流動，密度p 等于常數(shù)，因此式3 2 變?yōu)椋?塑+ 堡+ 塑：o 敘 匆 瑟 3 3 2 動量守恒方程( n s 方程) ( 3 3 ) 動量守恒方程也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律，其本質(zhì)是牛頓第二定律，可 表述為：任何控制微元體中流體動量對時間的變化率與外界作用在微元上各種力之和是相 等的北。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 6 r ：6 型 衍 ( 3 4 ) 由流體的黏性卒構(gòu)刀程得全u 且角坐杯糸卜小口j 雎縮流體的動重萬程， ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程1 ，簡稱n s 方程： 如 ，a 矽fa 2 甜a 2 甜a 2 甜1 p 瓦2 ，一言+ 【麗+ 礦+ 蠆j d 、，a p fa 2 v a 2 1 ，a 2 v1 尸瓦2 礬一希+ 【麗+ 礦+ 蠆j 咖，劾 fa 2 w a 2 w a 2 w1 p 瓦2 ：一言+ 【萬+ 可+ 萬j 當(dāng)流體中的黏忡神府可p 忽略時n s 方程可p j 寫成 p 妾：兢一呈 p 瓦2 r 一言 p 塵：礦一望 p 瓦2 囝，一贏 p 李：形一窆 p 瓦2 乃z 一亳 即納威斯托克 ( 3 5 ) ( 3 6 ) n s 方程比較準(zhǔn)確的描述了流體的實際運(yùn)動情況，對黏性流體流動的求解可以歸結(jié)為 對此方程的求解。n s 方程共有3 個分式，加上不可壓縮流體的連續(xù)性方程，一共4 個方 程，有隊v 、w 和p 這4 個未知數(shù)，因此方程組是封閉的，加上適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初始 條件，原則上方程組是可以求解的n 。但是由于n s 方程中存在非線性項，求得一般的 解析解非常困難，只有在邊界條件比較簡單的情況下，才能求得解析解。 1 3 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3 3 能量守恒方程 能量守恒方程是包含有熱交換的流動系統(tǒng)所必須滿足的基本定律，是熱力學(xué)第一定律 對運(yùn)動流體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。流體的能量守恒方程可以表述為：對于確定的流體，其總能量 的時問變化率與單位時間內(nèi)外力對它做的功和傳遞給它的熱量之和相等n 4 1 ，即： 絲：p ，+ d f 一 ( 3 7 ) 對于粘性不可壓縮流動，用熱力學(xué)溫度t 表示的能量方程，可用于求解流場中的溫度分布， 在直角坐標(biāo)系中為： 臚。魯2 仞+ 哎窘+ 等+ 窘 + 8 ， 式中：卜流體的溫度； k 流體的導(dǎo)熱系數(shù)； c 。流體的比熱容； 流體的粘性耗散函數(shù)。 d ta t8 ta ta t 其中：d f 研蘇 砂 瑟， ( 3 9 ) = “ 2 ( 塞 2 + 2 ( 考 2 + 2 ( 豢 2 + ( 言蘭+ 考 2 + ( 言蘿+ 塞 2 + ( 言三+ 考 2 + ( 專三+ 象 2 。3 ，。， 如果流動是可壓縮的，同時又忽略流體的粘性和傳熱，這樣的流動就是等熵流動，那 么能量方程就可以用等熵過程方程來替代n 柚；如果流動是不可壓縮的，熱交換量很小以 至于達(dá)到可以忽略的程度，則可以不用考慮能量守恒方程。 3 3 4 組分質(zhì)量守恒方程 組分質(zhì)量守恒方程簡稱為組分方程，在給定的系統(tǒng)內(nèi)，如果有多種化學(xué)組分或者有質(zhì) 交換的存在，任何一種組分都要遵守組分質(zhì)量守恒定律。針對一個確定的系統(tǒng)，組分質(zhì)量 守恒定律可表述為：系統(tǒng)內(nèi)部某種化學(xué)組分質(zhì)量對應(yīng)時間的變化率與通過系統(tǒng)界面的凈擴(kuò) 散流量和通過化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率相加。一種組分的質(zhì)量守恒方程實際上相 當(dāng)于該組分的濃度傳輸方程，其方程表述為： 1 4 3 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)與f 1 u e n t 軟件介紹 皇+ 絲幽+ 絲蚴+ 叢趔 a t a x 卻 a z = 鼬掣h b 掣m 皿掣卜1 1 式中：c 。組分s 的體積濃度； p c 。組分s 的質(zhì)量濃度； d 。組分s 的擴(kuò)散系數(shù)； s 。單位時間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量，即生產(chǎn)率。 3 4 數(shù)值模擬的注意條件 干燥裝置內(nèi)熱風(fēng)的流動狀態(tài)是非常復(fù)雜的，完全實現(xiàn)零誤差模擬熱風(fēng)的流動過程是不 現(xiàn)實的。為了得到最接近實際情況的模擬結(jié)果，綜合實際過程中干燥裝置的具體結(jié)構(gòu)和影 響熱風(fēng)流動狀態(tài)的不同因素，以及流體動力學(xué)分析過程中的假設(shè)條件等，在對熱風(fēng)流動問 題進(jìn)行數(shù)值模擬計算時要考慮到以下幾個方面： ( 1 ) 實際情況下干燥裝置的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，而且在加工過程中難免會存在誤差， 本文利用三維建模軟件p r o e 完全依照設(shè)計尺寸來建立風(fēng)嘴物理模型，在保證計算精度的 前提下，為了簡化問題，對干燥裝置內(nèi)的一些連接部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，?忽略制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差。 ( 2 ) 本文對干燥裝置內(nèi)部熱風(fēng)流動狀態(tài)的模擬是在干燥過程中熱風(fēng)的流動達(dá)到穩(wěn)定 時的模擬，忽略掉干燥裝置剛開始工作和結(jié)束工作之前的不穩(wěn)定狀態(tài)階段。 ( 3 ) 實際中干燥裝置壁面并不是完全光滑的，但是壁面粗糙度對熱風(fēng)流動狀態(tài)影響 相對于熱風(fēng)整體的流動狀態(tài)來說是微乎其微的，因此在模擬過程中忽略了干燥裝置壁面粗 糙度對熱風(fēng)流動狀態(tài)的影響。 ( 4 ) 實際過程中，熱風(fēng)的密度較小且運(yùn)動的速度較快，因此，重力的作用在熱風(fēng)整 個流動過程中的影響較小，因此忽略重力對熱風(fēng)流動狀態(tài)的影響。 1 5 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 6 4 數(shù)值模擬過程及計算結(jié)果分析 4 數(shù)值模擬及計算結(jié)果分析 本文中主要是針對雙槽式風(fēng)嘴進(jìn)行模擬分析，這種雙槽式風(fēng)嘴屬于高速氣浮風(fēng)嘴的一 種。雙槽式風(fēng)嘴采用的是左右對稱出風(fēng)的形式，在風(fēng)嘴內(nèi)部設(shè)有均風(fēng)板，其作用是使得進(jìn) 入風(fēng)嘴內(nèi)的熱風(fēng)通過均風(fēng)板上均勻排布的狹縫之后形成細(xì)長的風(fēng)帶，使得熱風(fēng)在進(jìn)入風(fēng)嘴 上部時速度比較均勻。 風(fēng)嘴的出風(fēng)口寬度的設(shè)定對熱風(fēng)的流動狀態(tài)也有很大的影響，如果設(shè)定的過小在材料 加工過程中材料本身的變形就會超過設(shè)計精度，設(shè)計的過大則不能達(dá)到使得熱風(fēng)通過狹縫 獲得穩(wěn)定方向和較高速度的目的。風(fēng)嘴內(nèi)部均采用流線形的設(shè)計方法，有效避免熱風(fēng)在流 動過程中不必要的能量耗損。主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：風(fēng)嘴的總長度為8 0 0 m m ；出風(fēng)口寬度 為3 m m ；風(fēng)嘴擋板角度為3 5 。；風(fēng)嘴高度為1 2 0 m m 等。根據(jù)這些基本的參數(shù)值和風(fēng)嘴設(shè) 計中所要遵循的基本原則2 ，應(yīng)用三維工程設(shè)計軟件p r o e 按照1 ：1 的比例對風(fēng)嘴建立三 維物理模型，如圖4 1 所示。由于連接件的作用主要是連接兩個或多個零件，并不影響熱 風(fēng)流動的過程，所以在三維模型中省略了連接件。 圖4 1 雙槽式風(fēng)嘴模型三維視圖 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 前處理 進(jìn)行前處理的目的是將待求解的流體問題轉(zhuǎn)化為求解器可以接受的形式，即建立計算 域和劃分網(wǎng)格。g 鋤b i t 軟件是f l u e m 公司為了幫助分析者建立和網(wǎng)格化計算流體力學(xué)模 型而研發(fā)的前處理軟件，它通過用戶界面( g u i ) 來接受用戶的輸入。g a m b i t 軟件提供 基本的幾何建模功能，也支持從外部導(dǎo)入幾何模型文件。本文模型屬于比較復(fù)雜的三維 c f d 問題，應(yīng)用的是從專業(yè)三維建模軟件p r o e 建模后導(dǎo)入的i g e s 格式文件。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 計算流體力學(xué)分析的第一步是將計算區(qū)域離散化，即對流體域劃分網(wǎng)格。前處理中專 用的網(wǎng)格劃分方法可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體或者 混合型網(wǎng)格乜，還可以高度智能化的選擇劃分網(wǎng)格的方法，對復(fù)雜的幾何區(qū)域劃分結(jié)構(gòu) 化、非結(jié)構(gòu)化或者混合型網(wǎng)格。根據(jù)熱風(fēng)流動的質(zhì)量方程、動量方程和能量方程確定風(fēng)嘴 內(nèi)部及出口附近的流體域，在g 砌b i t 前處理軟件中建立模擬所需要的數(shù)值模型，運(yùn)用布 爾運(yùn)算等命令完成對流體域的切割和劃分，然后對風(fēng)嘴流體域的數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格化，即 將連續(xù)的控制方程離散化，流體域的建立如圖4 2 所示。 圖4 2g 鋤b i t 用戶界面 f i g 4 2 t h eg a m b i tu s e ri n t e r f a c e 網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量對計算精度和穩(wěn)定性都有很大的影響。為確保正確描述流體的流動 過程，網(wǎng)格數(shù)目應(yīng)該足夠多；而網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響了后續(xù)f 1 u e n t 計算的精度乜踟。 因此，選擇合適的網(wǎng)格類型和劃分方法對模擬計算結(jié)果的誤差影響很大。網(wǎng)格類型和劃分 方法的選擇要結(jié)合實際情況綜合考慮，根據(jù)物理模型的特征，本次模擬分析采用分區(qū)域劃 分網(wǎng)格的方法，并且對流場中速度梯度較大的區(qū)域采用局部加密的方法。在選擇網(wǎng)格類型 時，要結(jié)合實際情況綜合考慮計算時間、計算成本和數(shù)值耗散等問題。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng) 格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩種，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成的速度較快、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，但是應(yīng)用范圍 比較窄；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格雖然處理起來相對復(fù)雜，但是可以應(yīng)用于復(fù)雜的模型。本文模擬過 程中根據(jù)所分區(qū)域內(nèi)模型形狀的不同，分別利用h e x w e d g e 、t e t h y b i r d 等網(wǎng)格單元類型 進(jìn)行劃分，分別對應(yīng)c o o p e r 、t g r i d 等形式掃描生成體網(wǎng)格，分區(qū)域劃分后的網(wǎng)格如圖4 3 所示。 4 數(shù)值模擬過程及計算結(jié)果分析 圖4 3 分區(qū)域劃分網(wǎng)格圖 f i g 4 3s u b r e g i o n a lm e s h e d 網(wǎng)格質(zhì)量與模型本身具體的幾何特征、流體的流動特性以及求解流場所用的求解算法 都有很大的關(guān)系，因此，網(wǎng)格的質(zhì)量最終需要通過計算的結(jié)果來評判。但是，根據(jù)誤差分 析和計算過程中的一些相關(guān)經(jīng)驗，網(wǎng)格的劃分應(yīng)該滿足一些基本要求，例如網(wǎng)格的光滑性、 正交性、網(wǎng)格單元的正確性以及在流場中變化劇烈的區(qū)域需要分布足夠多的網(wǎng)格。經(jīng)過檢 查，本次分析所劃分的所有網(wǎng)格點的j a c o b i a n 值均為正值，即所劃分的網(wǎng)格沒有負(fù)體積的 出現(xiàn)叫，其他網(wǎng)格質(zhì)量度參數(shù)值( 例如扭曲角度、縱橫比、壓扁程度等) 均比較理想。 劃分完網(wǎng)格后，要對模型的邊界類型進(jìn)行設(shè)定，本文模型根據(jù)實際的工作情況選用速度入 口、壓力出口、絕熱壁面等邊界條件。設(shè)定完邊界條件后就完成了前處理過程，接下來輸 出網(wǎng)格文件給求解器進(jìn)行計算。 4 2f l u e n t 模擬計算 本次模擬過程根據(jù)模型的維度和計算精度的要求，選用3 d 單精度求解器。導(dǎo)入m e s h 文件后應(yīng)用g r i d c h e c k 命令對模型進(jìn)行網(wǎng)格檢查，報告計算流體域內(nèi)的體、面、節(jié)點等 統(tǒng)計信息，并確認(rèn)沒有負(fù)體積網(wǎng)格。f l u e n t 軟件中的網(wǎng)格檢查報告提供了流體域的計算區(qū) 域、網(wǎng)格的體積以及邊界條件等信息。 網(wǎng)格檢查信息： 計算域范圍( d o m a i ne x t e n t s ) ：