武秋敏，焦鑫康，夏禹康，刘腾
悬浮式烘箱风嘴结构的优化设计及实验验证
武秋敏*，焦鑫康，夏禹康，刘腾
（西安理工大学 印刷包装与数字媒体学院，西安 710048）
创新设计风嘴泄压孔结构，优化风嘴和基材之间由于气流撞击而形成的涡流，导致基材表面风速温度堆积不均匀的问题。采用Fluent软件，建立单一的风嘴仿真模型，并利用RNG-湍流模型进行数值仿真模拟，分析风嘴有无泄压孔结构对基材干燥特性的影响，并在7种泄压孔设计结构中确定了相对最优方案，通过搭建实验台验证最优风嘴泄压孔结构设计的合理性。实验研究结果表明，通过增设相对最优风嘴泄压孔结构，基材表面涡流产生区域平均风速提高了3.32 m/s，均方差降低了0.86；
平均温度提高了24.76 K，均方差降低了5.96，表明设计有泄压孔结构的风嘴能明显改善由于涡流堆积造成的风速和温度较低的现象。设计泄压孔结构的风嘴在两狭缝之间区域的风速和温度均有明显提升，涡流区域的压力产生明显下降，改善了风嘴两狭缝之间由漩涡引起的风速、温度较低现象。
悬浮式烘箱；
热风干燥；
风嘴优化设计；
实验验证
烘箱是高精密印刷涂布设备的重要组成部分。印刷涂布完成的基材经烘箱热风干燥后才最终完成其生产过程。传统的烘箱结构是向印刷涂布后的基材表面吹以热风进行干燥，基材的背面紧贴支撑辊向前传输。当热风作用于相邻两支撑辊之间时，易造成基材的弯曲变形，且无法满足双面涂布干燥需求。为解决上述问题，悬浮式烘箱逐渐被应用到涂布设备中。
悬浮式干燥技术是由美国ASI（Advance Systems Inc）创始人Roy Downhawn在1970年提出的，80年代美国印刷业的繁荣大大推动了悬浮式烘箱技术的发展[1]。国内外学者开始应用数值模拟计算的方法对悬浮式烘箱展开研究。Yuan等[2]利用构建CFD仿真模型，分析了悬浮式烘箱内部基材移动速度以及温度对基材干燥性能的影响。Chang等[3]则关注了基材在上下风嘴之间由于张力波动导致基材与风嘴之间的距离发生变化的现象。Moretti[4]通过建立偏微分控制方程来确定基材的张力效应。李徐佳等[5-7]对锂电池极片烘箱的流场特性进行研究，并建立了3种典型风嘴的数值模型，分别研究其均流特性以及阻流特性。程千驹等[8]通过在风嘴上设计排出泄压孔的方式，改善干燥过程中由于射流压强分布不均导致的极片烘干质量不良问题。李青华等[9-10]研究了不同箱体结构对风嘴出风均匀性的影响。丁俊健[11]通过研究确定了导流板在风嘴以及箱体内部有助于改善风速均匀性。Huang等[12-14]通过研究悬浮式喷嘴的流场特性，对锂离子电池悬浮式烘箱进行结构优化。综上所述，国内外学者对于悬浮式烘箱的研究，多为采用数值模拟的方法对悬浮式烘箱箱体结构、风嘴结构进行仿真和优化设计，且多以提升风嘴出风速度作为优化最终目标，但均未考虑优化后的结构对基材表面干燥的实际影响效果。
因此，本文建立风嘴到基材之间的热风干燥模型，并利用数值仿真的方法研究风嘴泄压孔结构对基材干燥性能的影响，并确定最优风嘴泄压孔结构。
1.1 悬浮式烘箱的工作原理及结构分析
悬浮式烘箱在进行基材干燥时，热风从进风口进入风室并在其内部扩散，经匀风板匀流后从风嘴狭缝出口吹出，冲击并干燥运动的基材。烘箱内部没有支撑辊，基材由上下交错的风嘴吹出的热风进行悬浮支撑，其在烘箱内部以类似正弦波的形式向前运动。本文根据企业提供的数据建立了悬浮式烘箱的三维模型，并对模型进行了简化。选取单个风嘴及其两侧基材作为研究对象，且对基材的宽幅进行了缩减。烘箱结构及简化模型如图1所示。
1.2 流体域建立及网格划分
本文利用Fluent软件进行仿真计算，首先对上述简化模型进行流体域建模，风嘴设计整体长度为1 200 mm，风嘴与基材之间的距离为5 mm，风嘴出风口狭缝宽度为4 mm。设置风嘴入口风速为5 m/s，热风温度为90 ℃，基材移动速为20 m/min，且基材设置为吸热体。采用速度入口和压力出口作为边界条件，如图2所示。
图1 悬浮式烘箱及简化模型
图2 边界条件
建立好流体域模型后，利用Fluent meshing对模型进行网格划分，对入口以及基材表面进行网格加密，最终共划分2 295 131个网格。对划分好的网格进行质量检查，其单元质量接近于1，偏斜比小于0.5，且未出现负体积网格，因此可导入Fluent进行计算。
1.3 流体仿真分析
在参考面的中心位置处，沿着基材移动方向进行数据提取，得到风速与温度分布曲线，如图4所示。令参考平面中心处为坐标原点，基材移动的方向为轴正方向，可将数据提取位置划分为3个区域，其中区域1（−0.15～0.07 m）与区域3（0.07～0.15 m）所在位置包含了风嘴狭缝以及向外延伸的部分，区域2（−0.07～0.07 m）则包含了两狭缝之间漩涡堆积的区域。由图4中可以看出，黑色速度曲线与红色温度曲线的峰值皆处在狭缝所在的区域1与区域3之中。而在区域2之中，由于受漩涡堆积的影响，无论是速度还是温度曲线，均有大幅度下降趋势。
图3 流场模型迹线
图4 基材表面风速与温度分布曲线
对图4中数据进行量化，在区域1与区域3分别提取速度与温度的峰值，在区域2中对速度和温度的平均值以及均方差进行计算。由计算结果可知，在区域1与区域3中的风速峰值分别为24.12 m/s和24.79 m/s，但区域2中的平均风速仅有1.59 m/s，且均方差为3.89，说明区域2中绝大部分风速都与平均风速接近，与峰值风速差距过大。同理，区域1与区域3中峰值温度分别为361.63 K和360.57 K，区域2中平均温度仅有321.19 K，且均方差较大，说明该部分温度数值波动较大，且同样存在与峰值温度差值过大的问题。
经上述分析可知，在基材表面的漩涡堆积会对基材的换热产生不良影响。
2.1 泄压孔设计原理
为了改善风嘴底部存在的涡流问题，通过在风嘴底部设计泄压孔使得部分气流由狭缝喷出后通过泄压孔进入泄压腔内部，从而减小漩涡对基材表面风速以及温度的影响，提高基材干燥效率。图5所示为风嘴结构优化前后对比。
图5 优化前后风嘴结构对比
2.2 泄压孔排列方式及尺寸确定
在进行泄压孔结构设计时，设计了不同规格的泄压孔作为研究对象。如图6所示，泄压孔的孔径，横向孔距1，纵向孔距2以及泄压孔的列数有所差别。
图6 泄压孔排列尺寸
将未进行优化的结构作为对照组，共设计出7种方案进行对比研究，这7种方案的尺寸设计如表1所示。
表1 优化方案尺寸规格
Tab.1 Dimensional specifications for optimized schemes
2.3 仿真分析
2.3.1 流场分析
图7所示为2种不同风嘴结构的基材表面流场分布云图。图7a、7b和7c分别是没有设计风嘴泄压孔结构时，基材表面的温度和压力的分布情况。由图中色块的分布可以看出，基材表面的风速与温度会在两风嘴狭缝之间的区域出现大范围的低值区域。由压力分布可以看出，风嘴内侧中心区域的压力较高，而上下两侧的边缘区域的压力较低。图7d、7e和7f所示为有风嘴泄压孔结构时，基材表面的流场分布。与图7a、7b和7c对比可以看出，风嘴两狭缝之间区域的风速和温度会有明显提升，在温度分布中，高温分布的区域明显增加；
在风速分布上可以看出，基材表面的峰值风速会有所降低。由压力分布可以看出，通过设计泄压孔结构可以使得中心区域的压力产生明显下降。
2.3.2 数据分析
对优化方案进行与优化前相同的数据处理，优化后的风速以及温度量化数据如表2、表3所示。由表2和表3中数据可以看出，增加泄压孔结构后的风嘴，在区域2中无论是风速还是温度均有一定程度的提高。
图7 基材表面流场分布云图
表2 优化方案获取的风速
Tab.2 Wind speed obtained through optimized scheme
表3 优化方案获取的温度
Tab.3 Temperature obtained through optimized scheme
在上述方案中，方案1、2、4的峰值风速的降低程度明显，过低的风速不利于基材的干燥。如图8a所示，方案3、5、6、7在区域1和区域3中的峰值风速相近且与优化前相比降低程度较低，而在区域2中，方案6的平均风速最高为4.91 m/s，均方差则最低，仅为3.03。通过与未优化结构的量化数据进行对比，方案6在区域2中风速提升效果尤为明显，且更加稳定。结合表3以及图8b中的温度变化数据可知，增加泄压孔结构的风嘴对区域1与区域3中峰值温度数值均相近，而在区域2中的平均温度也有了明显的提升，其中方案6的平均温度较高，且均方差较低，可以认为该方案的改善结果较为理想。综上所述，方案6的优化结果最好，可作为相对最优方案。
图8 优化前后基材表面风速（a）及温度（b）数据对比
3.1 实验平台设计方案
本实验采用5 mm厚透明亚克力板材自制实验箱体进行风速以及温度的测量，将风嘴按照与仿真模型1∶2的比例等比缩小，箱体结构则根据实验实际情况进行调整。实验原理如图9所示。
根据上述实验方案利用5 mm厚透明亚克力板材搭建烘箱实验箱体如图10a所示，箱体内部的基材在干燥时的状态如图10b所示。
图9 实验箱测量原理
图10 实验台搭建
实验测试时，将热风温度设定为45 ℃，待箱体内气流温度稳定后，进行数据的测量。实验时使用的风嘴如图11所示，其中图11b中风嘴的泄压孔尺寸按照选定的相对最优泄压孔尺寸进行等比缩放。
图11 风嘴模型
3.2 风嘴泄压孔结构干燥效果验证
对测量的风嘴进行编号，其中未开泄压孔的2个风嘴分别为风嘴1和风嘴2，开泄压孔的风嘴分别为风嘴3和风嘴4。对基材表面两侧狭缝正下方区域，以及两狭缝中间区域进行温度和风速数据的测量，每一个风嘴在一侧测量区域采集8组数据，即每一个风嘴共采集24组数据，实际测量数据如表4所示。
如表4中数据所示，风嘴1与风嘴2左右两侧狭缝区域风速的最高值为15.57 m/s，最低值为15.26 m/s，两狭缝之间区域风速最高值为2.87 m/s。在设计泄压孔后，左右两侧狭缝风速最高值与最低值分别为14.92 m/s和14.31 m/s，中间区域风速最高值为3.43 m/s，整体分布满足前文所述中风速分布的趋势。数据表明，开泄压孔后的风速变化也与前文分析一致。在温度方面，在左右狭缝区域，4个风嘴狭缝区域温度最高值为42.09 ℃，最低值为41.42 ℃，相差仅为0.67 ℃。总体来看，增设泄压孔结构后，两侧狭缝出口的热风温度相差不大。而在中间区域，风嘴1与风嘴2温度的平均值为38.56 ℃，设计有泄压孔的风嘴中间区域平均温度为40.60 ℃，差值为2.04 ℃，变化趋势与前文分析相同，即增设泄压孔后风嘴狭缝中间区域的温度会有所上升。综合分析，增加了泄压孔结构的风嘴对基材的干燥效果更加理想。
表4 实验测量数据
Tab.4 Experimental measurement data
本文研究了悬浮式烘箱风嘴泄压孔结构对基材干燥性能的影响，研究结论如下：
1）本文根据企业提供的数据建立了悬浮式烘箱干燥热风流动的流场仿真模型，经计算分析，发现高速的热风射流进入流体域，撞击基材表面后分别向入口两侧运动，两股气流相撞互相扰动，导致在2个狭缝之间会形成许多漩涡，从而对基材表面的风速以及温度分布产生不良影响。
2）针对基材表面存在的风速以及温度分布不均匀的问题，在风嘴上创新性设计了泄压孔结构，并研究确定了泄压孔的最优排列方式和尺寸，计算结果表明，优化后的风嘴结构能够明显改善由于基材表面复杂漩涡堆积而造成的干燥性能下降的问题，基材的整体干燥性能明显提升。
3）自行设计搭建了含泄压孔风嘴结构的悬浮式烘箱，对设计的泄压孔结构及仿真计算结果进行了实验验证。结果表明，设计有泄压孔结构的风嘴能明显改善由于漩涡堆积造成的风速和温度较低的现象，验证了设计及仿真结果的正确性。
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Optimized Design and Experimental Verification of Suspended Oven Nozzle Structure
WU Qiumin*, JIAO Xinkang, XIA Yukang, LIU Teng
(Faculty of Printing, Packing and Digital Media Technology, Xi"an University of Technology, Xi"an 710048, China)
The work aims to innovatively design the structure of the nozzle pressure relief hole to optimize the vortex formed between the nozzle and the substrate due to airflow impingement which leads to the problem of non-uniformity of wind speed and temperature buildup on the surface of the substrate. A single nozzle simulation model was established by Fluent, and numerical simulation was carried out by the turbulence model to analyze the effect of the nozzle with or without pressure relief hole structure on the drying characteristics of the substrate. Meanwhile, the relative optimal scheme was determined among seven designed structures of pressure relief hole, and the reasonableness of the optimal structure design of nozzle pressure relief hole was verified by setting up an experimental bench. The experimental results showed that by adding the relatively optimal nozzle pressure relief hole structure, the average wind speed in the vortex generating area on the surface of the substrate increased by 3.32 m/s, with the mean square deviation decreasing by 0.86, and the average temperature increased by 24.76 K, with the mean square deviation decreasing by 5.96, which indicated that the nozzle with the design of the relief hole structure could significantly improve the phenomena of lower wind speed and temperature due to the buildup of the vortex flow. The nozzle designed with pressure relief hole has a significant increase in wind speed and temperature in the area between the two slits, and the pressure generation in the vortex area decreases significantly, which improves the phenomena of lower wind speed and temperature caused by vortex between the two slits of the nozzle.
suspended oven; hot air drying;optimized design of nozzle; experimental verification
TB482.2
A
1001-3563(2024)09-0150-08
10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.09.019
2023-11-20
陕西省自然科学基础研究计划重点项目（2022JZ-30）；
陕西省教育厅重点科研计划项目（20JY054）；
国家自然科学基金（52075435）