基于FLUENT双拉成膜设备热载荷温度场分布数值模拟分析与结构优化

2014-11-22华岩高学亮岳晓峰王平凯郑旭浩

机械工程师 2014年3期

华岩，高学亮，岳晓峰，王平凯，郑旭浩

（1.长春工业大学，长春 130012；2.吉林交通职业技术学院工程机械分院，长春 130012）

0 引言

在双拉成膜设备拉伸过程中，加热系统的稳定性和恒温性对BOPET 薄膜的拉伸性能有很大影响。在传热学上，预热腔内温度场分布的数值计算属于封闭空间的温度场分析问题。

BOPET 薄膜的双拉成型过程中，温度场均匀变化率是一个很重要的工艺参数。良好的温度控制是生产出高质量薄膜的基本保证。生产过程中各个加工段的温度控制有其不同的方式和特点。拉伸区影响薄膜的机械强度、成膜性、厚度均匀性等关键因素，通常在一定范围内控制恒温温度进行拉伸有利于提高薄膜的机械强度，有利于增大薄膜的热收缩性。而温度变化波动大会引起厚度公差大，薄膜雾度大，严重时会引起破膜。与此同时，温度过低也会引起破膜、脱夹等问题。BOPET 薄膜的表面结构与性能直接影响着薄膜拉伸时的表面粗糙度、平整性。在后序加工时，对镀铝、印刷及复合的牢度也有一定影响。所以得到一个均匀稳定的温度场［4］分布对于BOPET 薄膜从预热乃至后续的双向拉伸、定型都至关重要。

1 热系统结构设计

根据薄膜特性运用热对流原理对其拉伸薄膜进行加热，以提高薄膜预热［2］过程中温度的均匀性，同步拉伸过程中温度载荷对其薄膜影响的一致性。本文提出分段温度控制方法。整体温度控制系统由预热结构、拉伸结构、定型结构、热量循环四4 部分组成，如图1 所示。

图1 热系统三维结构组成简图

图2 拉伸结构热分析简化模型

在热系统结构设计过程中，薄膜拉伸温度均匀性的控制受环境温度和自身热系统条件影响，但在温度调节过程中，主要受热流速度V，热流温度T，热流入口截面积S 和热流入口到薄膜表面高度h 等参数变化的影响明显。为此，根据薄膜拉伸特征要求，将拉伸结构简化如图2所示，取长方体状的腔室尺寸为1 500 mm×750 mm×800 mm，进料口出料口分别位于750 mm×800 mm 的面上，两个进风口分别位于1 500 mm×750 mm 的面上。

在加热过程中，进料口在预热过程中处于关闭状态不参与物质交换和热交换，故此处不予显示，只显示两个进风口及出料口，尺寸预先定义为150 mm×75 mm。同时，根据结构的对称性只做出一半体积模型即1 500 mm×800 mm×375 mm，简化模型进行分析即可。

2 热模型离散化处理

由于模型离散［3］后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性，近年来国内外研究重点都集中于对离散模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动地划分出六面体网格［6］单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元［2］，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元，但对于四面体单元如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题；自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程，该过程需要设定最终迭代精度和迭代次数［1］，同时在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确。为此，本文提出采用基于四面体单元的自适应网格划分方法，其模型离散结构如图3 所示。

图3 拉伸结构热分析简化模型离散化处理结果图

3 热场数据分析

3.1 初始和边界条件确定

根据薄膜拉伸成型特点，初步定义热空气垂直于进风口吹入，速度V为0.2m/s，温度T为140℃。查表1 可知，140℃时空气运动黏度［5］为27.8×10-6m2/s，故气流最小雷诺数由下式计算：Re=Vd/ν=1079<2 300。（1）

式中，V为流动速度，d为流动方向的尺寸，ν为运动黏度，Re为最小雷诺数。

根据计算结果（Re＜2 300）可知，该对流方式属于层流，在数值模拟过程中，采用了以下流动、换热模型：1）腔体内气体为热空气；2）腔体内空气流动形式为层流；3）腔体内空气在固体表面满足无滑移边界条件。

在预热腔内空气进行对流，流速［5］设置为0.2 m/s，由于预热腔内空间较大，故忽略压缩性的影响，把腔内空气作为不可压缩流体处理。在数值模拟过程中，合适的边界条件对数值模拟的收敛和数值解的精度有很大的影响。

根据模型简化分析结果边界条件设置如下：1）预热腔设置为绝热材料，故忽略温度耗散；2）进口温度为140℃，风速为0.2m/s；3）进口为速度入口Velocity Inlet，Turbulent Intensity 设为3%；4）水力直径Hydraulic Diameter 设为0.075m；5）出口为自由出口Outflow；6）其余面设为墙壁Wall。

表1 空气运动黏度表

3.2 热场分析处理

采用压力基求解器［6］，Model 选用laminar 模型，运用Graphics and Animations 下的Contours 查看稳态下对称面的温度分布如图4 所示。

图4 稳态对称面温度分布图

由图4 可知，风速在0.2 m/s 条件下所得到的预热腔内温度场分布是不均匀的。

4 热系统优化设计

考虑到温度对薄膜的影响较大，避免集中受热，故出风口的速度设置在较小的范围。热空气垂直于进风口吹入，速度为0.5 m/s，温度为140℃。查表1 得140℃时空气运动黏度为27.8×10-6m2/s，故气流最小雷诺数：

可见，本计算设计的自然对流（Re＞2 300）属于湍流，在数值模拟过程中，采用了以下流动、换热模型：1）腔体内气体为热空气；2）腔体内空气流动形式为湍流；3）腔体内空气在固体表面满足无滑移边界条件。

在两个进风口的方向上加入均流板，为了避免集中受热，同时让空气更均匀地进入到预热腔室中。

在调整过程中，由于将入口速度提高至0.5 m/s，导致薄膜表面压力过大，提出模型优化结构如图5 所示，为避免薄膜在热场中热载荷［5］集中问题，同时让空气更均匀地进入到预热腔室中，在进风口处加上网状均流装置能够改善薄膜同步拉伸性能，同时提高拉伸稳定性和热载荷分布的均匀性。

图5 拉伸结构热分析优化模型结构图

由于本模型中是求解低速不可压缩流体在有限容积中的流动问题，所以采用压力基求解器［5］（Pressure Based Solver）求解，配合k-epsilon 模型同步分析。k-epsilon 模型又称双方程模型，其中紊流动能k 和紊流动能扩散率［4］ε 取决于Navier-Stokes 方程本身参数，该模型广泛应用于工程上比较复杂的紊流流动与换热计算。在保证其它边界条件不变的条件下对其进行热场分析，用Graphics and Animations 下的Contours 查看稳态下对称面的温度残差和温度场分布图，如图6 和图7 所示。

由图6 和图7 可知，经加热结构优化后，热系统腔室内的温度场能够满足薄膜拉伸对其温度场的要求，从而保证了薄膜拉伸的稳定性和薄膜的均匀性。