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玻璃清洗机风刀流场分析

作者:鑫硕编辑 发布时间:2019-08-29 11:35:32 浏览次数:0

  玻璃清洗机的风刀结构是决定风刀出风性能的重要因素。本文利用CFD方法分析了风刀工作腔内的流场分布特性,认为矩形横截面的风刀结构可产生涡旋,阻碍了气流的流动,因而降低了出风速度。根据分析结果提出了几点改进措施。并用计算分析表明,圆形截面的风刀结构能够有效地提高出风性能。

  1 前言

  玻璃清洗机中的风刀主要通过吹出高强风吹除清洗玻璃过程中附着在玻璃表面的水并进行干燥,以保证清洗后的玻璃清洁、干燥、无杂质、无水迹。因此,风刀功能的优劣直接影响玻璃清洗效果。在风刀的最初设计过程中,为方便制造,设计了横截面近似矩形的风刀结构。但在使用过程中该风刀的吹除性能并不十分理想,玻璃表面两侧的水分不能完全吹除,影响了清洗机整体性能的发挥。为分析形成原因并指导改进设计,本文应用CFD方法对风刀内部流场进行了分析。

  2 CFD模型

  

 

  图1 原始风刀几何模型

  为提高计算效率,忽略实际风刀的部分结构,建立了如图1所示的几何模型,其中,圆形为进风口,下部细长窄缝为出风口,其缝宽为0.5mm。根据实际使用条件,其中进风口风速为10m/s。根据风刀尺寸,计算得到使用条件下的雷诺数大于2300,因此风刀工作腔内的空气流动属于湍流。本文采用标准k-e湍流模型进行计算。其划分后的网格如图2所示。

  

 

  图2 划分网格后的模型

  模型边界条件包括速度边界条件与压力边界条件。上述模型的边界条件设定为:①进风口采用速度边界条件,在计算域的进口边界上,设定进风方向为进风口法线方向且入口速度均匀,进口切线方向的流体速度为零,即Vx=-10 m/s,Vy=0 m/s,Vz=0 m/s;②出风口处施加流体的相对压力边界条件,即设相对压力值为常数值0;③风刀工作腔内壁施加无滑移边界条件,即所有速度分量为零。

  3 计算结果分析

  根据上述建立的模型,本文采用Ansys的FLOTRAN CFD模块进行分析。计算采用FLU ID 142单元类型,该单元可以分析三维流体速度、压力的分布。

  

 

  图3 进风口处横截面的流速等值图

  

 

  图4 进风口处横截面的压力等值图

  图3为进风口中心线处横截面流速等值图,可以看出在绝大部分空间内风速从进风口向出风口逐渐减小,在出风口处的极小区域内风速再急剧增加。在截面拐角处的低风速区域较大并形成涡旋,这样必然会与高速区气流产生摩擦、扰动,从而降低了整体风速。图4为横截面静压图,可以看出左侧壁的压强明显大于进风口区域的压强。这主要是由于左侧壁正对进风口,会极大地阻碍气流流动,根据伯努利方程可知势必使此处压强增大。图5为风刀纵截面的流速等值图,风速沿纵轴方向由中心向两端逐渐减少,相当大的空间内流速较小。图6为沿出风口路径的流速分布曲线图,图中曲线的波动主要是由湍流造成出风瞬时不均匀所形成的。可以看出在出风口中间段风速较大,其均值约为7m/s,而两端的风速较小。这主要是由于风刀纵向长度大,在湍流扰动作用下,流场能量沿程损失较大,同时由于纵向两端内腔壁的阻碍作用,导致两端出风速度减少,致使风刀两端吹除效果下降,从而影响了玻璃清洗机性能的发挥。

  

 

  图5 风刀纵截面的流速等值图

  

 

  图6 出风口风速分布曲线

  4 改进分析

  综合以上分析结果,现有风刀结构存在以下主要问题。

  a)风刀横截面为近似矩形,在内壁拐角处存在涡旋阻碍了气流流动,消耗流动能量而降低了风速;

  b)进风口法线方向正对内壁,造成气流直接冲击内壁而阻碍了气流流动;

  c)风刀纵向长度较长,能量沿程损失较大,使其末端的风速降低。另外两端低风速区空间较大,增大了涡旋作用的区域从而进一步降低了风速。

  基于此,可行的风刀结构可改进如下:

  a)风刀横截面改为曲线形状以减少涡旋产生,应设计成理论上最优的流线形状;

  b)风刀纵向截面改为由中间向两端逐渐缩小的形式,不但可提高纵向流动速度,还可减小纵向低风速涡旋区,但这样会增加风刀制造难度

  c)增加进风口个数并沿风刀纵向均布,以增加风刀末端的风速。

  实际设计制造时,考虑到风刀结构制造的难易程度以及成本控制问题,第b)、c)两项措施尚未采用,对于a)项措施,最佳的流线截面形状较为复杂,使其制造工艺同样较复杂。因此为方便制造,本文横截面采用圆形结构,并由两条与该圆相切的直线逐渐收拢成出风口,如图7所示。其进风口与出风口的形状、尺寸保持与原结构相同。将其设定初始边界条件后,经过仿真计算,其各项结果如图8、图9、图10所示。

  

 

  图7 改进后风刀结构

  

 

  图8 改进后进风口处横截面的流速等值图

  从图8计算结果来看,风刀结构改进后,在工作腔内涡旋区明显减少,由于避免了进风口速度方向正对工作腔内壁,其横截面内的风压分布较为均匀,如图9所示,使其风速损失明显减少,从图10出风口的风速分布图来看,其均速约为17m/s,约为原结构的2.4倍,因此改造的效果较为明显。从图中可看出,出风口两末端风速仍然下降较多,这仍是由于风刀纵向尺寸大,而进风口只有一个并位于风刀中部所造成的。因此,进一步的改进仍然是可行的。

  

 

  图9 改进后进风口处横截面的压力等值图

  

 

  图10 改进后出风口风速分布曲线

  5 结论

  利用CFD方法分析了玻璃清洗机风刀工作腔内的空气流场分布,计算结果表明原有矩形截面的风刀结构由于产生较大涡旋而不利于空气流动,因而降低了出风口风速。改进后的近圆形截面的结构可有效降低涡旋产生,提高了出风口风速。

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