吸尘模组低速空气流动分析

吸尘模组是气-固两相流动，固体颗粒的运动状况在很大程度上受气体运动状况的影响，所以分析其内部气体的运动规律是揭示颗粒运动规律的先决条件。采用SpaceClaim 进行模型简化和体积抽取，如图3-18、图3-19所示。

图3-18　吸尘模组气体流动示意图

图3-19　抽取体积后面图

将吸尘模组导入Meshing软件进行网格划分，根据吸尘器的结构特点，采用四面体网和六面体格划分法，网格尺寸设置为2 mm，并开启捕捉邻近度，将其最小尺寸设置为0.02 mm，风道口采用Multizone强制六面体网格划分方法，并设置边界层为5层。为保证后续处理正常进行，在完成几何造型和网格划分后，要进行网格质量检查，以防止在某些区域出现畸变过大情况，吸尘模组的网格模型图如图3-20所示。

计算模型采用离散相湍流模型，湍流的数值模拟采用Realizable k-ω 湍流模型。壁面采用无滑移边界，按照不可压缩流体定常流动进行计算。根据要求采用压力边界设置，将进气管道作为压力入口，排气管道作为速度出口。设置入口为标准大气压入口，出口速度为29.2 m/s。反映湍流特性的控制方程Realizable k-ω 如下。

标准k-ω 模型是为了解决低雷诺数流动、可压缩性流动和剪切流传播问题，以Wilcox k-ω 模型为基础修改而得到的，如颗粒流动、混合流动和放射状喷射流动中，采用标准k-ω 模型能够得到比较精确的计算结果，在低雷诺数条件下的近壁流动、自由剪切流动及高速湍流流动等领域得到广泛的应用。标准k-ω 模型是工程流动问题中应用较为广泛的两方程模型之一。湍流运动黏性系数定义为

图3-20　吸尘模组的网格模型图

标准k-ω 模型如下：

式中：Gk是由于层流速度梯度而产生的湍流动能；Gω是ω 方程产生的；Γk和Γω分别代表κ 和ω 的扩散率；Yk和Yω是由于扩散对消耗率产生的影响；Sk和Sω是由用户定义的源项。利用k-ω 湍流模型，通过求解方程对生成的网格进行数值计算。由激光加工产生的粉尘主要为Cu、C、Al、Al2O3·H2O，相关参数如表3-2所示。

表3-2　粉尘物性参数

除尘器多相流场数值模拟分析-速度分析如图3-21、图3-22、图3-23、图3-24所示。速度等值线和矢量图是反映流场内部速度变化、旋涡、汇流等的有效手段，也是体现流场整体趋势的常用方法。依据吸尘器的结构特点，提取纵向截面的仿真信息进行分析研究。

图3-21　yz截面速度等值线

由图3-21～图3-24可知，气流由入口流入吸尘器两壁面后速度为32 m/s，到达主桶壁后内部气流速度为22～30 m/s。排气口速度为29 m/s。右边风刀出口有高速气流，速度为50 m/s，左边风刀出口流速较低，这是由于高速气流作用在除尘器左上端会有小漩涡造成的。

图3-22　yz截面速度等值线局部

图3-23　多截面速度等值线局部(www.xing528.com)

由图3-25可知，气流在吸尘器进出口大气压差的作用下，由进气口流入吸尘器，由于结构的左上端的气流在经过回旋后到达出口，风刀处只有一个气压入口，所以在右边有较多气流喷出。由进气壁两边进入的粉尘为大小质量不等的颗粒，为了揭示粉尘流经吸尘器的运动规律，考虑气相与颗粒的相互作用，颗粒形状为球状，颗粒入射速度与气流速度一致。图3-26～图3-29所示的分别为吸尘器距离工件表面由30 mm 时Al、Al2O3·H2O、C、Cu颗粒运动轨迹和停留时间。

图3-24　yz截面速度矢量图

图3-25　气流迹线图

图3-26　Al颗粒运动轨迹和停留时间

图3-27　Al2O3·H2O 颗粒运动轨迹和停留时间

图3-28　C颗粒运动轨迹和停留时间

图3-29　Cu颗粒运动轨迹和停留时间

由图3-26～图3-29可知，吸尘器在距离工件表面30 mm 时颗粒的最大停留时间为0.15 s，而大多数颗粒都在很快的时间被排出。

图3-30是取抽风管道出口0 mm、10 mm、-10 mm 线段图。由仿真图3-31、图3-32可知，不同质量的颗粒在吸尘器内的运动轨迹不同，但总体趋势相同。由于气流的影响，颗粒集中在顶部后反弹并最终到达出口。风刀口影响出气气流变化，起辅助作用，主要诱导空气流出变化。

图3-30　取抽风管道出口0 mm、10 mm、-10 mm 线段图

图3-31　取抽风管道出口0 mm、10 mm、-10 mm 速度变化曲线图

（1）颗粒的最大停留时间为0.15 s，而颗粒在极短的时间内排出。

（2）气流在吸尘器进出口大气压差的作用下，由进气口流入吸尘器，由于体积突然减小，引起气压突变，进而快速上升，此后气流到达主桶壁之后由于气压的作用，远离出口处气流经过回旋后到达出口。

图3-32　取抽风管道出口0 mm、10 mm、-10 mm 压力变化曲线图

（3）气流颗粒由入口流入吸尘器两壁面后速度为32 m/s，到达主桶壁后内部气流速度为22～30 m/s，排气口速度为29 m/s，右边风刀口速度为50 m/s。