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玻璃清洗機風刀流場分析

作者:鑫碩編輯 發布時間:2019-08-29 11:35:32 瀏覽次數:0

  玻璃清洗機的風刀結構是決定風刀出風性能的重要因素。本文利用CFD方法分析了風刀工作腔內的流場分布特性,認為矩形橫截面的風刀結構可產生渦旋,阻礙了氣流的流動,因而降低了出風速度。根據分析結果提出了幾點改進措施。并用計算分析表明,圓形截面的風刀結構能夠有效地提高出風性能。

  1 前言

  玻璃清洗機中的風刀主要通過吹出高強風吹除清洗玻璃過程中附著在玻璃表面的水并進行干燥,以保證清洗后的玻璃清潔、干燥、無雜質、無水跡。因此,風刀功能的優劣直接影響玻璃清洗效果。在風刀的最初設計過程中,為方便制造,設計了橫截面近似矩形的風刀結構。但在使用過程中該風刀的吹除性能并不十分理想,玻璃表面兩側的水分不能完全吹除,影響了清洗機整體性能的發揮。為分析形成原因并指導改進設計,本文應用CFD方法對風刀內部流場進行了分析。

  2 CFD模型

  

 

  圖1 原始風刀幾何模型

  為提高計算效率,忽略實際風刀的部分結構,建立了如圖1所示的幾何模型,其中,圓形為進風口,下部細長窄縫為出風口,其縫寬為0.5mm。根據實際使用條件,其中進風口風速為10m/s。根據風刀尺寸,計算得到使用條件下的雷諾數大于2300,因此風刀工作腔內的空氣流動屬于湍流。本文采用標準k-e湍流模型進行計算。其劃分后的網格如圖2所示。

  

 

  圖2 劃分網格后的模型

  模型邊界條件包括速度邊界條件與壓力邊界條件。上述模型的邊界條件設定為:①進風口采用速度邊界條件,在計算域的進口邊界上,設定進風方向為進風口法線方向且入口速度均勻,進口切線方向的流體速度為零,即Vx=-10 m/s,Vy=0 m/s,Vz=0 m/s;②出風口處施加流體的相對壓力邊界條件,即設相對壓力值為常數值0;③風刀工作腔內壁施加無滑移邊界條件,即所有速度分量為零。

  3 計算結果分析

  根據上述建立的模型,本文采用Ansys的FLOTRAN CFD模塊進行分析。計算采用FLU ID 142單元類型,該單元可以分析三維流體速度、壓力的分布。

  

 

  圖3 進風口處橫截面的流速等值圖

  

 

  圖4 進風口處橫截面的壓力等值圖

  圖3為進風口中心線處橫截面流速等值圖,可以看出在絕大部分空間內風速從進風口向出風口逐漸減小,在出風口處的極小區域內風速再急劇增加。在截面拐角處的低風速區域較大并形成渦旋,這樣必然會與高速區氣流產生摩擦、擾動,從而降低了整體風速。圖4為橫截面靜壓圖,可以看出左側壁的壓強明顯大于進風口區域的壓強。這主要是由于左側壁正對進風口,會極大地阻礙氣流流動,根據伯努利方程可知勢必使此處壓強增大。圖5為風刀縱截面的流速等值圖,風速沿縱軸方向由中心向兩端逐漸減少,相當大的空間內流速較小。圖6為沿出風口路徑的流速分布曲線圖,圖中曲線的波動主要是由湍流造成出風瞬時不均勻所形成的?梢钥闯鲈诔鲲L口中間段風速較大,其均值約為7m/s,而兩端的風速較小。這主要是由于風刀縱向長度大,在湍流擾動作用下,流場能量沿程損失較大,同時由于縱向兩端內腔壁的阻礙作用,導致兩端出風速度減少,致使風刀兩端吹除效果下降,從而影響了玻璃清洗機性能的發揮。

  

 

  圖5 風刀縱截面的流速等值圖

  

 

  圖6 出風口風速分布曲線

  4 改進分析

  綜合以上分析結果,現有風刀結構存在以下主要問題。

  a)風刀橫截面為近似矩形,在內壁拐角處存在渦旋阻礙了氣流流動,消耗流動能量而降低了風速;

  b)進風口法線方向正對內壁,造成氣流直接沖擊內壁而阻礙了氣流流動;

  c)風刀縱向長度較長,能量沿程損失較大,使其末端的風速降低。另外兩端低風速區空間較大,增大了渦旋作用的區域從而進一步降低了風速。

  基于此,可行的風刀結構可改進如下:

  a)風刀橫截面改為曲線形狀以減少渦旋產生,應設計成理論上最優的流線形狀;

  b)風刀縱向截面改為由中間向兩端逐漸縮小的形式,不但可提高縱向流動速度,還可減小縱向低風速渦旋區,但這樣會增加風刀制造難度

  c)增加進風口個數并沿風刀縱向均布,以增加風刀末端的風速。

  實際設計制造時,考慮到風刀結構制造的難易程度以及成本控制問題,第b)、c)兩項措施尚未采用,對于a)項措施,最佳的流線截面形狀較為復雜,使其制造工藝同樣較復雜。因此為方便制造,本文橫截面采用圓形結構,并由兩條與該圓相切的直線逐漸收攏成出風口,如圖7所示。其進風口與出風口的形狀、尺寸保持與原結構相同。將其設定初始邊界條件后,經過仿真計算,其各項結果如圖8、圖9、圖10所示。

  

 

  圖7 改進后風刀結構

  

 

  圖8 改進后進風口處橫截面的流速等值圖

  從圖8計算結果來看,風刀結構改進后,在工作腔內渦旋區明顯減少,由于避免了進風口速度方向正對工作腔內壁,其橫截面內的風壓分布較為均勻,如圖9所示,使其風速損失明顯減少,從圖10出風口的風速分布圖來看,其均速約為17m/s,約為原結構的2.4倍,因此改造的效果較為明顯。從圖中可看出,出風口兩末端風速仍然下降較多,這仍是由于風刀縱向尺寸大,而進風口只有一個并位于風刀中部所造成的。因此,進一步的改進仍然是可行的。

  

 

  圖9 改進后進風口處橫截面的壓力等值圖

  

 

  圖10 改進后出風口風速分布曲線

  5 結論

  利用CFD方法分析了玻璃清洗機風刀工作腔內的空氣流場分布,計算結果表明原有矩形截面的風刀結構由于產生較大渦旋而不利于空氣流動,因而降低了出風口風速。改進后的近圓形截面的結構可有效降低渦旋產生,提高了出風口風速。

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