手持式砂轮切割机粉末吸收装置开发

陈传俊，韦长峰，汪晟杰

(1.扬州市江都永坚有限公司，江苏 扬州 225200)(2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

手持式砂轮切割机粉末吸收装置开发

陈传俊1，韦长峰1，汪晟杰2

(1.扬州市江都永坚有限公司，江苏 扬州 225200)(2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

采用FLUENT仿真软件对所设计的粉尘吸收装置内部含尘气流流动规律以及流场分布规律进行了分析研究，并制作出实物样机。经过数值模拟，发现了粉尘吸收装置内含尘气流的压力、速度、浓度和轨迹分布规律。利用FLUENT仿真软件调节出口真空度，通过分析仿真结果可确定最佳真空度值。研究结果表明，仿真结果对装置的优化设计和实际运行具有一定的理论指导作用。

砂轮切割机；粉尘吸收装置；计算流体动力学(CFD)；数值模拟

随着世界经济的发展，我国的工业化进程加快，大量机械加工设备及电动工具得到了广泛的应用。这些工具的加工原理大多为去除多余材料，在原材料或半成品转化为尺寸、形状及精度符合加工要求的成品的同时，还会产生大量的粉尘、噪声、固体废弃物等加工副产品[1]。手持式砂轮切割机便属于此类电动工具，且被广泛应用于家庭装潢材料的切割中。在砂轮切割机工作过程中常会产生大量粉尘，致使工作环境空气质量下降，严重威胁到操作人员的身体健康。

为了有效解决这一问题，本文研究的目标是在原有手持式砂轮切割机的基础上设计并制作粉末吸收装置，及时吸收切割产生的粉尘，减少粉尘弥漫，有效减轻空气污染，保护有关人员的健康。

1 计算流体动力学简介

1.1计算流体动力学基本概念

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是一种利用计算机数值计算和图像显示来模拟流体流动以及传热等相关物理现象的系统分析方法和工具，CFD分析常应用于产品的概念设计、详细设计和改进设计阶段，目前已涵盖了汽车和航空业的空气动力学分析、内部流场分析、热交换分析、流体机械仿真等领域[2-3]。

CFD的计算流程分为3个部分：

a.前处理。主要用于模型的修整、网格的生成以及计算域、边界条件的设定等。

b.求解。CFD软件求解方法的流程通常为利用简单函数近似表示未知的流动变量；将近似函数代入流动控制方程和所得到的数学式进行离散化；求解代数方程。不同求解方法的主要区别在于流动变量的近似方法和离散化过程不同。

c.后处理。通过CFD软件提供的数据可视化技术及工具，显示计算域的等值线图、矢量图及颗粒轨迹等。

1.2FLUENT软件介绍

FLUENT软件是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，广泛应用于航空航天、旋转机械、高速列车、汽车、能源及冶金领域，软件采用了多种求解方法以及多重网格加速收敛技术，因此利用FLUENT软件能获得较高的收敛速度和求解精度[2-4]。FLUENT的基本物理模型包括基本流动模型、湍流模型、多相流模型、粘性模型、离散相模型和热传导模型等[5]。

2 样机结构设计

本文以某型手持式砂轮切割机为对象, 基于原有配套的半封闭防护罩，使用激光切割的PMMA板材将开放侧封闭，并设置导向装置以便活动防护板滑动。活动防护板也由PMMA板加工而成，同时开设有小孔，可以利用螺钉锁定活动防护板的工作位置。除尘防护罩结构如图1所示。

1—切割机主体；2—固定除尘罩；3—吸尘口螺纹接头；4—挡块；5—紧固螺钉；6—砂轮；7—挡板；8—活动防护板；9—滚花高头螺钉

整套粉尘吸收装置的设计方案如图2所示。利用真空发生器产生的真空使粉尘吸入集尘室内的除尘袋，通过除尘袋的过滤作用使粉尘留在除尘袋内。集尘室上设置有两个孔，一个接进气吸尘管路，另一个接真空管路。进气吸尘管路与除尘防护罩的吸尘口相连通，真空管路与真空发生器的真空口相连通。

1—空气压缩机；2—真空发生器；3—集尘室；4—除尘袋；5—软管；6—砂轮切割机

3 模型建立及边界条件设置

3.1物理模型的建立

选择除尘防护罩工作时，砂轮所在的中间平面为二维模型的求解空间。如图3所示，二维模型求解空间中心处的空白部分为砂轮所占据的面积，对应的圆周可设置为移动壁面，以等效砂轮的切割旋转运动；二维模型的底面可设置为速度入口，模拟含尘气流进入除尘防护罩的情况；右上方的矩形平面可设置为压力出口，将压力值设为负值，模拟吸尘的效果；其他部分设置为静止壁面。采用四边形结构网格对模型进行网格划分，网格数(Interval Count)为20。

图3 二维模型及其网格划分

3.2数值模拟条件假设

根据雷诺数Re的定义公式，在除尘防护罩内大部分粉尘处于湍流状态，本文采用在标准k-ε模型基础上修改而来的RNGk-ε双方程湍流模型，同时进行以下假设：(1)防护罩内的混合气体为不可压缩气体；(2)壁面无粉尘沉降；(3)气体运动视为定常流动；(4)颗粒相为稀疏相(体积分数小于10%)，不考虑颗粒间的相互碰撞[6]。

3.3边界条件的确定

将GAMBIT中划分的网格模型文件导入FLUENT中，检查网格并修改模型单位。依次完成基本求解器的定义、湍流模型的选择、流体物理属性的定义和边界条件的设置。为减少存储资源的消耗，加快计算求解速度，根据切割机实际的运行情况对模型加以简化，设置的边界条件如下：

a.连续相。入口速度为28.78m/s(砂轮线速度的一半)；出口压力为-88kPa，即真空发生器所能产生的真空度；移动壁面作圆周运动，转速为11 000r/min；静止壁面为默认设置。

b.离散相。设置DPM模型边界条件时，固体颗粒有4种边界条件类型，分别是反弹、捕捉、逃逸、通过[6]。

将入口设为通过，出口设为逃逸，其他壁面均设为反弹。

4 仿真结果分析

二维模型求解收敛后，仿真结果如图4～7所示。图4、图5分别给出了模型内的速度、压力分布情况，从图中可看出，速度、压力均沿移动壁面发生一定变化，可认为砂轮运转会对内部流场产生影响。根据模型颗粒运动轨迹图可看出粉尘颗粒在流场内的运动情况，如图6所示。

图4 速度矢量图

图5 压力分布云图

图6 颗粒运动轨迹图

图7给出了直径为5μm的颗粒浓度分布情况。通过连续相和离散相的两相耦合计算[7-8]可以输出颗粒浓度(DPM Concentration)分布云图。在其他条件不变的情况下，分别设置压力出口真空度为-88kPa和-0.5MPa。从图7(a)可看出，出口真空度为-88kPa时，还有部分粉尘未被吸收，除尘效果不理想。增大出口处的真空度至-0.5MPa，再次进行迭代求解，得到如图7(b)所示的模拟结果。从图中可看出，大量粉尘颗粒已被吸收，除尘效果比较理想。

通过图7中压力出口真空度设置的不同，使所得到的仿真结果出现差异的这种情况可以看出，出口处的真空度应尽量取得大一些。但过大的真空度也会提高对相关设备的要求，使成本上升。因此在进一步的研究中可以利用仿真与实际实验相结合的方法，确定所需真空度的最佳值，使整套装置达到最佳性价比。

图7 颗粒浓度分布图

实际试切情况表明，整套装置虽有一定的吸尘效果，但效果还远未达到最佳。软件仿真及样机试切结果都说明了这一问题。由于单个真空发生器所产生的真空度有限，因此在进一步的研究中可以考虑采用多个真空发生器并联的方法，为整套装置提供足够的真空度。

5 结束语

根据压力分布图及速度矢量图可以看出，在除尘防护罩内流体的压力与速度都有一定的变化，且可使流体的流动状态发生相应的改变。论文验证了使用CFD模拟粉尘颗粒运动方法的可行性，研究结果表明,仿真结果对装置的优化设计和运行情况分析具有一定的理论指导作用。考虑到整套装置的便携性，在以后的研究中可考虑将整套装置小型化。试验结果表明，整套装置虽有一定吸尘效果，但效果并不显著，整套粉末吸收装置还有较大的改进空间。

[1] 吴建.机械加工过程中粉尘污染危害控制研究[J].科技视界,2012(19)：266-267.

[2] 李明高,李明.ANSYS 13.0流场分析技术及应用实例[M].北京：机械工业出版社,2012.

[3] 周俊波,刘洋.FLUENT 6.3流场分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2011.

[4] 姚征,陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报,2002,24(2):137-144.

[5] 温正，石臣良，任毅如. 流体计算应用教程[M]. 北京：清华大学出版社, 2009.

[6] 刘海,李彩亭,曾光明，等.SCX型脱硫除尘器内部气固两相流场数值模拟[J].环境工程学报,2012,6(8):2736-2744.

[7] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社,2008.

[8] Ghuaha T G, Jolius Gimbunb, Thomas S Y Choonga. A CFD study of the effort of cone dimensions on sampling aerocyclones performance and hydrodynamics[J]. Powder Technology, 2006,16(2):126-132.

Thedesignonthedustremovaldeviceforhandheldabrasivecutter

CHEN Chuanjun1,WEI Changfeng1,WANG Shengjie2

(1.Yangzhou Jiangdu Yongjian Co.,Ltd., Jiangsu Yangzhou, 225200, China)(2.Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

Based on FLUENT system, it analyzes the rule of air flow with dust and the distribution rule of flow field in the dust removal device, designs and manufactures the dust removal device for handheld abrasive cutter. Based on numerical simulation, it obtains the distribution field of dusty air pressure, velocity, concentration and track. Using FLUENT to adjust export vacuum degree, it realizes the optimal value of vacuum degree. The results show that simulation mathod can offer theoretical references for optimization design and practical operation of the dust removal device.

abrasive cutter; dust removal device; CFD; numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.013

2014-11-10

江苏省重大成果转化项目(BA2014130)

陈传俊(1970—)，男，江苏扬州人，扬州市江都永坚有限公司，主要研究方向为机械与液压系统设计。

X701.2

A

2095-509X(2014)12-0055-04