流延装备主冷辊内部流动数值模拟研究①

殷术贵 张华伟 吴智恒 张春华 陈 勇

(1.广东省智能制造研究所；2.广东仕诚塑料机械有限公司)

流延装备主冷辊内部流动数值模拟研究①

殷术贵1张华伟1吴智恒1张春华2陈 勇2

(1.广东省智能制造研究所；2.广东仕诚塑料机械有限公司)

借助流体力学仿真软件对多个工况下的流延装备主冷辊内部冷却水流动性能进行仿真研究，结果表明：冷却水进入主冷辊后在进水侧水箱内形成了多个大的回流区；在冷却水流出导流叶片后的出水侧汇聚成一个大的环流，局部阻力较大，冷却水流出困难，进出口总压损失达到83%以上，此外主冷辊旋转方向对总压损失影响明显。根据仿真结果提出在主冷辊两侧水箱分别添加导流叶片的改进方案，可以为主冷辊结构优化设计提供指导。

流延膜 主冷辊 流体力学 数值模拟 局部损失

流延是一种先进的塑料膜成型工艺，流延装备是塑料膜流延生产的母机，现代流延膜生产将热熔后的塑料熔体从挤出机模头中挤出，熔融树脂经机头流延到表面光洁的冷却辊上迅速冷却成薄膜。我国从20世纪80年代中期开始引进国外单层流延膜生产线，宽只有1.0～1.5m；90年代后从德国、日本、意大利及美国等国引进了多层流延膜生产线，宽2.0～2.5m；2000年以来流延技术突飞猛进，宽幅4.0～4.5m，国产设备得到快速发展[1,2]。

流延膜的冷却成型过程主要发生在流延辊上，流延辊冷却效果直接影响到流延膜的质量和产量，为了获得高质量的薄膜，需要在流延膜的冷却机理、流延辊的工作原理、内部流道的结构方面进行研究。李钢等对双向回流式流延辊的换热过程进行了数值模拟研究，研究了流道结构、尺寸等参数对流延辊换热能力的影响[3,4]。李晓伟等对熟料薄膜的传热过程进行了数值模拟，得到了流延辊内壁温度分布和塑料薄膜温度随时间变化曲线[5]。吴哲浩和麻向军对平行流道流延辊的冷却过程进行数值模拟，得到了不同流延膜厚度和流延辊转速条件下流延膜的温度场[6]。董野建立了流延辊换热仿真过程中的理论模型，研究流延辊的结构尺寸、冷却水的流量对流延辊质量的影响规律[7]。上述研究工作中，主要对流延膜、流延辊之间的传热进行了研究，而对流延辊内部流动规律研究较少。笔者借助Fluent软件对5.1m宽幅流延膜主冷辊内部冷却水流动性能进行仿真研究，分析主冷辊内部流动规律，根据分析结果对主冷辊结构提出优化方案。

1 主冷辊结构特点

主冷辊是直径较大的钢辊，表面经特殊的钝化处理(镀硬铬)，内部中空设有内套，内套上焊有平直或螺旋形的导流片，钢辊、内套、导流片之间的空间形成流道，冷却水在流道内循环流动。

按流道布局分，主冷辊主要有平行流道和螺旋流道两种。平行流道结构简单，冷却水水流阻力小，但冷却水与主冷辊的接触面积小，辊面温度场的均匀性差。螺旋式的流道采用螺纹导流片，冷却水与主冷辊接触面积大，辊面温度场较均匀，但冷却水水流阻力较大。按冷却水的流动方向，主冷辊有单向流动和双向流动两种结构。单向流道结构要保证主冷辊表面温度均匀性，需加大冷却水的流动速度。图1为单向螺旋主冷辊结构。

图1 单向螺旋主冷辊结构

2 流体管道局部阻力分析

2.1 局部阻力的产生

流体经过局部阀件、管件时，会发生多种情况的局部阻力损失。层流的局部损失是各流层之间的粘性切应力引起的，几何边界条件的改变，流层进行重新调整，流体质点产生剧烈变形，加强了各流层的相对运动，因而产生了局部的能量损失。

对于湍流而言，情况比层流复杂且难以分析，总的来说漩涡区的形成和二次流是产生局部损失的主要原因[8,9]。

2.1.1 形成漩涡区

流体在通过突扩管、突缩管、弯管及三通管等局部管件时，因惯性主流与壁面分离形成漩涡区产生局部损失，如图2a～d所示；在渐扩管内，沿程减速增压，主流与边壁脱离形成漩涡区，如图2e所示；在渐缩管内，沿程增速减压，当收缩角较大时也会产生一个漩涡区，如图2f所示。由以上分析可以看出，流速大小和方向的改变，局部损失总是和漩涡区有关，漩涡区是局部损失形成的主要原因。

图2 几种典型局部阻力流态示意图

2.1.2 形成二次流

在流体流经弯管时，不仅会发生分离，形成漩涡区，而且还会产生与主流方向正交的二次流，产生能量损失，如图3所示。

图3 弯管二次流形态示意图

2.2 减小局部阻力的方法

在各种管路设计中，应尽量减小局部损失，尽量避免流通有效断面发生突化，在有效断面有较大改变之处常常采用锥形过渡，在精度要求较高的管路中应采用光滑的流线型壁面。常见减小局部损失的方法有：过流断面的几何尺寸适当增大；尽可能减少管路上的局部装置；调整局部管件突变界面的光滑程度[10]。

3 主冷辊流动数值仿真模型

3.1 几何模型与网格划分

主冷辊内部流道几何模型如图4所示，主冷辊结构为单向螺旋流道结构，辊筒直径1.2m，辊面宽幅5.1m。冷却水从左侧流入经6个分支管进入主冷辊左侧水箱，随后由导流片的引导向右侧流出。主冷辊内部流道全部采用六面体网格划分，网格数为374万，如图5所示。

图4 主冷辊内部流道模型

图5 主冷辊内部流道网格划分

3.2 操作参数

笔者进行了5组工况研究(表1)，冷却水由左侧(x负轴)流入，右侧(x正轴)流出。编号前面的数字表示入口压力，后面的数字表示主冷辊旋转量，如工况代码L0.3_R0中L0.3表示入口压力0.3MPa，R0表示滚筒旋转量为0rad/s，旋转方向为x轴负向，为基准工况。其中工况L0.3_R(X)0.5旋转方向为x正轴。

表1 仿真模拟参数

4 主冷辊内部流动仿真结果

4.1 基准工况流线分布

图6为基准工况L0.3_R0流线分布图，可以看出，冷却水从入口流入后通过6个孔流入辊筒左侧，然后经6组导流叶片的引导呈顺时针螺旋线向x轴正方向流动；在辊筒右侧，6组冷却水流出导流叶片后汇聚成一个大的环流，呈逆时针螺旋流动，从流线可以看出，从出口流出的冷却水亦呈逆时针螺旋流动。总的来看，冷却水由左侧导流叶片流入辊筒后，整体都是旋转流动。

图6 主冷辊内部流线分布

4.2 基准工况速度、矢量图分布

图7为基准工况L0.3_R0左右两侧水箱截面速度云图和矢量图分布，由左侧云图和矢量图可以看出，冷却水流入辊筒左侧水箱后分成6组主流向外流动，快抵达外圆时，主流开始朝向导流入口处流动，因此可以发现6组主流末端各自都有转折。此外，主流以外的流体流到外圆后受到壁面的阻挡而往回流动，形成了明显的回流。由右侧云图和矢量图可以看出，冷却水流出导流叶片后在右侧水箱汇聚成一个大的环流，环流外围速度小，中间速度大。从右侧云图和量图可以看出，冷却水斜着从小管流出，流体流出困难，阻力较大。

图7 主冷辊左右两侧水箱截面速度云图和矢量图

4.3 不同截面处压力分布

图8为基准工况L0.3_R0在距离中心不同位置处截面的动压分布，可以看出，不同截面倒流叶片内的动压分布不同，即流速不一样，靠近入口处动压分布差异越明显。

图8 距离主冷辊中心不同位置处截面动压分布

在入口总压为0.3MPa的情况下，基准工况L0.3_R0下的入口流速为8.55m/s，入口流量347.5t/h，出口总压0.046MPa，总压损失0.254MPa，总压损失比达到了84.5%。

4.4 不同工况参数下仿真结果对比

表2为不同工况下的仿真结果对比，可以看出，现有结构下进出口总压损失达83%以上，压力损失较大；当入口压力增大时，辊筒内的速度增加，压力损失百分比变化不大；主冷辊旋转且与主流方向相反时，流体流速增加，压力损失降低；主冷辊旋转且与主流方向相同时，流体速度降低，压力损失增大。

表2 不同工况下仿真结果对比

5 结论

5.1 冷却水进入水箱后，在水箱内部形成了6个较大回流区和多个小的回流区；冷却水流出导流叶片后汇聚成一个大的环流，环流外围速度小，中心位置速度大；右侧出水口流出的冷却水亦呈螺旋流动流出；回流区的产生和大的环流会导致流动阻力的增大。

5.2 冷却水由左侧导流叶片流入辊筒后，整体沿着导流片呈旋转状向前流动，各个导流片内的流体流动不均匀，尤其在距离左侧入口较近处更明显。

5.3 现有结构情况下，进出口总压损失达到83%以上，压力损失较大，主冷辊旋转方向对总压损失影响明显，流体域旋转方向与主流方向一致时，压力损失增大，主冷辊旋转与主流方向相反时，流体损失减小。

5.4 根据仿真结果，为了降低主冷辊内部流动局部阻力，建议从左右两侧水箱入手，分别在两端水箱内添加新的导流叶片，左侧水箱添加导流叶片起到降低漩涡流的同时，又让进入各个导流叶片的冷却水流量更加均匀；右侧水箱添加导流叶片可以快速引导冷却水流出辊筒，降低局部阻力。此外，滚筒旋转方向应与主流方向相反。

[1] 吴梦旦.流延膜及其设备[J].轻工机械，2001，19(3)：2～5.

[2] 陶宏.国际视野下的中国流延膜应用与新发展[J].国外塑料，2009，27(1)：52～58.

[3] 李钢，孙宇，董野.基于Fluent仿真的流延辊流道设计研究[J].塑料，2008，37(6)：35～38.

[4] 李福森，王栓虎，李欣兴，等.塑料薄膜与流延辊换热过程的模拟分析[J].机电工程，2010，27(8)：56～59.

[5] 李晓伟，孟继安，徐凤英，等.流延法生产塑料薄膜传热过程数值模拟[J].塑料科技，2007，35(2)：60～63.

[6] 吴哲浩，麻向军.基于CFD的流延膜冷却效率研究[J].工程塑料应用，2015，43(1)：64～68.

[7] 董野.流延成形中流延辊的温度控制技术研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[8] 贺五洲，李玉柱.工程流体力学[M].北京：清华大学出版社，2006：187～196.

[9] 赵月.基于CFD的管道局部阻力的数值模拟[D].大庆：东北石油大学，2011.

[10] 杨莜蘅，张国忠.输油管道设计与管理[M].北京：中国石油大学出版社，1996：15～16.

NumericalSimulationResearchonFlowinMainChillRollerofCastingFilmEquipment

YIN Shu-gui1,ZHANG Hua-wei1,WU Zhi-heng1,ZHANG Chun-hua2,CHEN Yong2

(1.GuangdongInstituteofIntelligentManufacturing;2.GuangdongSimchengPlasticMachineCo.,Ltd.)

Having the fluid dynamics simulation software adopted to simulate internal flow characteristics at multiple conditions in the main chill roller shows that,the chill water into the main chill roller can create several large recirculation zones at the inlet side of the tank;and at the tank’s outlet side,the cooling water outflowing guide vanes can converge into a large circulation;and the big local resistance makes the outflow of cooling water difficult and the total import &export pressure loss stays above 83% and rotation direction of the main chill roller significantly affects the total pressure loss.Adding guide vanes to both sides of the main chill roller’s water tank was proposed to provide the guidance for optimal design of the main chill roller.

casting film,main chill roller,hydromechanics,numerical simulation,local loss

广东省科技计划项目(2014A040401062，2015A030401072，2015B010111001，2016GDASPT-0106)

殷术贵(1986-)，工程师，从事机械、热工等设备的CFD数值模拟工作。

联系人吴智恒(1970-)，教授级高级工程师，从事机电一体化工作，wuzhiheng23@163.com。

TQ022.1

A

0254-6094(2017)04-0447-05

2016-10-31)

(Continued from Page 416)

mined by the bending moment and the torque,the stress was calculated and compared with the allowable fatigue strength of the spindle made of certain materials and at certain temperature so as to determine feasibility of the wall thickness assumed,in this way,the strength calculation and check of the rotating spindle bearing a certain internal pressure is completed.

Keywordsdrying equipment,rotating spindle,fatigue fracture,damage by internal pressure,strength check,calculating wall thickness