基于Fluent对某型号除尘设备进行除尘仿真的二次开发.pdf

:./.基于 对某型号除尘设备进行除尘仿真的二次开发高铭泽邹 胜刘文可(惠州市赢合科技有限公司广东 惠州)摘 要:锂电池极片分割机一般需要配备相应的除尘装置来清除分切过程中产生的粉尘颗粒以确保极片生产过程中的洁净度以及电池质量 目前市场上常见的除尘装置有毛刷除尘装置及负压除尘装置 在设备设计阶段可以通过耦合计算流体动力学和离散粒子法对设备性能进行预测从而降低试错成本 现有的颗粒壁面条件模型忽略了壁面对颗粒吸附的影响导致小粒径颗粒在除尘设备中的除尘率一直过于理想(除尘率接近.)与实际生产过程中极片表面会附着细小粉尘的现象不符 因此该文运用用户自定义接口对 中的颗粒的壁面边界条件进行重新定义使壁面对颗粒产生吸附作用 在加入壁面吸附条件后设备对小于 颗粒的除尘率降至.左右使得仿真结果更具有可靠性与实际生产过程中观察的现象相符关键词:粉尘颗粒计算流体动力学离散粒子法用户自定义接口颗粒壁面边界条件中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.()().(.).().:引 言分切是电池生产的一个重要环节其主要目的是为了将辊压后成型的大型极片切割成合适大小的单个极片从而为不同类型的设备制作适用的电池 目前极片的分切方式可以大致分为刀片切割和激光切割 圆盘剪是刀片分割方式的一种它可以通过上下刀片的旋转实现对锂电池极片的分割 然而在分切的过程中粉尘的产生是不可避免的一个问题这些粉尘会对电池本身造成污染以及不可逆的伤害例如击穿隔膜导致电池短路以及电池自放电率提高从而导致电池使用风险增加 因此为了确保电池能够安全使用需要使用除尘设备对生产过程中产生的粉尘进行处理 然而市面上拥有繁多的除尘装置如何选择成为关键 工业上在对设备进行设计时通常会使用计算流体动力学()对设备性能进行预估从而降低试错成本 作为一款主流的 仿真软件其内置的大量数学模型为计算不同的仿真任务奠定了基础在 中求解颗粒流的模型可以根据耦合连续相与离散项的方式分为两个类别:欧拉欧拉模型()以及欧拉拉格朗日模型()二者在对颗粒流进行计算时都采用局部平均纳维斯托克斯方程()对连续相进行求机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:作者简介:高铭泽()男山东淄博人硕士研究生研究方向:流体仿真及优化解 不同之处在于前者将颗粒视为连续相通过计算波兹曼方程()对颗粒进行求解 而后者将颗粒视作离散项通过求解牛顿第二定律实现对颗粒物的力学分析以及路径等信息的追踪 中的离散粒子法()是一个非常具有代表性的拉格朗日模型主要用于离散项的轨迹计算 相较于欧拉欧拉模型欧拉拉格朗日模型能提供更加具体的颗粒信息通如速度受力位置等 然而现有的离散粒子法的壁面条件没有考虑壁面对颗粒物的吸附作用导致小粒径颗粒的仿真结果过于理想对小于等于 的粒径的除尘率都在 以上仿真结果与实际工况中所遇到的现象有极大的差距为了提升 求解器的能力 为用户提供了用户自定义接口()使得用户的自编程序可以动态连接到 求解器上如添加新的边界条件、初始化数据、输出数据等 颗粒的边界条件也可以通过编写 代码进行修正颗粒每与壁面碰撞一次该函数将被执行一次根据自定义的边界条件(如根据颗粒速度判断是否继续跟踪颗粒)实现壁面对颗粒的捕捉 因此通过 对 中的颗粒壁面条件的二次开发可实现在特定条件下壁面对颗粒的吸附从而使仿真结果更具有参考价值 王登超在其论文中对壁面吸附模型进行了验证 笔者将以某型号除尘设备为模型进行简化通过单向耦合欧拉与拉格朗日模型对不同粒径的颗粒在添加和不添加壁面吸附条件时进行除尘仿真并对比二者的结果 临界速度求解模型及案例设置文中所采用的仿真模型为某型号极片切割机如图 所示 根据现阶段施行的国家标准将对.的颗粒进行除尘仿真图 除尘设备模型示意图 在不添加壁面吸附条件时设备对于小粒径颗粒的除尘效果过于理想如图 所示与实际情况不符因此文中将针对壁面对颗粒的吸附条件进行阐述并通过 在 中对粒子的壁面边界条件进行重新定义图 除尘设备在未添加壁面吸附效果时除尘率随颗粒粒径的变化.临界速度求解模型在极 片 切 割 过 程 中 会 产 生 大 量 以 氧 化 铝()颗粒为主的粉尘这些颗粒的密度为 /在文中将其假设为惰性材料在分析颗粒物在负压吸尘装置中受壁面吸附影响的临界条件之前首先对颗粒的受力情况进行分析 由于受到算力限制文中将不考虑颗粒与颗粒之间的碰撞 颗粒与空气之间的交互将主要考虑重力()升力()压力梯度力()以及空气阻力()的影响如图 所示图 单个颗粒在流场中的受力分析 重力:颗粒受重力()影响的程度主要却决于颗粒粒径 以及材料密度 文中颗粒材料均为氧化铝颗粒因此颗粒受重力的影响将取决于自身粒径大小即:()空气曳力和阻力:颗粒受到的曳力或阻力与颗粒和连续相之间的相对速度有关当颗粒速度()小于连续相速度()时颗粒受曳力反之为阻力文中使用的曳力模型为圆球模型即:()()式中:为颗粒直径为液体密度 和 分别为颗粒和液体的速度该模型中的曳力系数 由式()求得其中 研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用为常数根据不同区间的颗粒物的雷诺数和 对这三个常数进行了定义()升力:指出当颗粒与流体之间存在速度差且周围流场存在一个垂直于颗粒运动方向的速度梯度时颗粒会受到一个从低速度指向高速度方向的升力作用 吸附一般发生在壁面颗粒直径普遍小于边界层厚度由于靠近壁面位置的速度梯度较大升力也应作为影响因素之一考虑其中 升力模型在 中的计算公式如下:.().().()式中:是液体的动力粘度压力梯度力:压力梯度力与压力梯度方向相反()等通过对能量的分析推断出了颗粒被壁面吸附的临界条件即当法向速度小于临界速度时颗粒会被吸附反之颗粒将反弹 通过分析颗粒与壁面碰撞时的能量变化可以计算不同材料、不同粒径颗粒被壁面吸附的临界速度 如图 所示在颗粒未与壁面发生碰撞时颗粒受空气流动的影响和自身势能的转化拥有一定的动能 在与壁面刚刚发生接触时动能()和表面能()将转化为弹性势能()当弹性势能大于壁面表面的粘附能()时颗粒会反弹并挣脱壁面的吸附其弹性势能将再次转化为动能()因此可以将粘附能与弹性势能数值相等时的情况作为颗粒能否发生反弹的判断依据图 颗粒与壁面碰撞时能量变化示意图 根据能量守恒弹性势能与有效动能和表面能的关系可以被定义为:()其中颗粒的动能()的计算公式为:()于 年推导出了两个弹性球体之间在发生碰撞时所产生的接触力从而可以对接触时间以及形变量进行预估这为后期的碰撞模型发展奠定了基础 在 年 以 及 通过改进 碰撞模型提出了新的 碰撞模型其主要优势在于考虑了表面对轻载荷颗粒的吸引的影响 王登超在论文中详细阐明了颗粒从碰撞到分离的过程 在颗粒的回弹阶段颗粒表面的接触距离必须达到一定的距离才能完成分离 在这个过程中造成的能量损失计算公式为:.()因此在计算临界速度时可以假设颗粒储存的弹性势能刚好可以克服粘附能此时将方程联立后可以求得颗粒被壁面吸附的临界速度()为:./()式中:分别为有效半径有效杨氏模量以及粘附功 其计算公式分别为:()()()式中:为泊松比 为接触双方的表面自由能下角标、表示发生碰撞的两个颗粒 此模型将会通过 被编译到 中从而增加壁面对颗粒的吸附效果.仿真设置为了测试壁面吸附边界条件对仿真结果的影响文中将以图 所示简化后的除尘设备为模型在稳态情况下通过单向耦合 的计算方法在流域内投放九种不同粒径的颗粒测试在添加壁面吸附效果后的除尘率随粒径的变化情况 所选粒径范围从.表 总结了不同粒径的氧化铝颗粒在壁面上被吸附的临界速度 这些临界速度将被带入到自编的 中并在 中进行编译获得新的颗粒边界条件表 不同粒径氧化铝颗粒在壁面上被吸附的临界速度颗粒直径/临界速度(/)颗粒直径/临界速度/(/).机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验图 展示的是简化后的除尘设备模型它包含了两个进口两个出口(图中出口所在表面被隐藏)简化模型的综合长、宽、高分别为.、.和.其中两个抽气管的直径.其工作原理是在两个入口处向外抽取空气使内部达到一个负压状态空气将由出口流向入口处部分受气流影响大的颗粒将跟随气流从设备中排出 两个入口的边界条件均被设定为/两个出口为压力出口并设定表压为 其它壁面均设定为非滑移墙壁且湍流求解采用的是标准 模型在每个案例中将有 个氧化铝颗粒以面投放的方式被投放到计算域内投放平面位于下刀盘上方 处以避免颗粒在投放时被直接吸附 离散项边界条件入口与出口分别采用的是捕获与逃逸在壁面处采用两种方式:不考虑壁面吸附时将壁面设置为反弹考虑壁面吸附时大于临界速度的颗粒将被反弹小于等于临界速度的颗粒将被终止网格划分主要采用的是非结构性网格(如图 所示)网格总计约 万并对投放区域进行了网格细化以及边界层的添加确保结果的准确性 案例均以稳态方式求解压力与速度场的耦合采用 方式以提高收敛性 动量方程以及连续性方程以二阶方式离散湍流模型采用的是一阶离散方式图 除尘设备简化模型边 图 除尘设备模型网格界条件示意图划分剖面图 结果及讨论文中除尘设备是一款用于分割蓝牙极片的设备其通过上下两端的抽气口对在切割极片时产生的粉尘进行吸收从而使设备达到客户要求的洁净度 文中将主要对比添加壁面吸附条件前后的除尘效果.速度场除尘设备在除尘时主要依靠空气的流动带动颗粒运动因此空气流动的速度会直接影响到设备的除尘效率文中采取的耦合方式为单向耦合即忽略了颗粒对流场的影响 在流域内截取多个平面(如图 所示)对除尘设备内部速度场进行分析 图 展示了整个流域的速度矢量图从图中可以看出颗粒投放面处的空气会流向抽气口处整个流域内的最大速度约为./图 平面截取位置示意图图 除尘设备内部流域的全局速度矢量图 图 分别为图()()平面上的速度矢量图图 位于图()、()平面上及图()平面上局部的速度矢量图图 位于图()平面上及其局部放大的矢量图研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用图 位于图()平面上的速度矢量图 通过图、可以看出流域内的高速度区域主要集中在上下两端的抽气口处在这两个平面上局部最大速度可以达到./相比之下靠近颗粒投放平面区域的空气流速急剧下降最大处仅为./不利于对受空气流动影响较小的颗粒的清除 并且由于重力的影响大粒径颗粒容易掉落在极片上对极片造成污染从图 中可以看出由于上下两个抽气口的错位排布使得空气在两个刀片之间的流动趋势多倾向于前方从而不易在刀片切割区域形成滞留区导致颗粒淤积 受流场影响较大的颗粒应更倾向于沿空气流动方向即从前方离开切割区域然后从抽气口排出到设备外部.除尘仿真结果图 展示了不同粒径颗粒在除尘设备运行时的运动轨迹图 不同粒径颗粒在除尘设备内的轨迹路线图 从图 可以看出因为小颗粒容易受到流场的影响该设备对小于等于 的颗粒有一定的除尘效果而且大部分颗粒从上方抽气口被排出到设备外部 而大于 的颗粒倾向于掉落在投放面上对这部分颗粒的除尘效果并不理想表 为不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时的除尘率 从表 中可以看出在不添加壁面吸附条件且颗粒粒径小于 时设备除尘率高达 以上只有极少部分颗粒被滞留在设备内部或从出口处逃逸 然而当颗粒粒径大于 时设备除尘率会急剧下降 这主要是因为在刀片切割区域空气流速小大粒径颗粒受自身重力影响远远大于空气流动所产生的浮力曳力及其它作用在颗粒上的力的合力在这种情况下颗粒很难通过气流的带动离开刀片切割区域表 不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时的除尘率粒 径/除尘率(带壁面吸附)/除尘率(不带壁面吸附)/除尘率变化/.在添加壁面吸附条件后除尘率的仿真结果有了一个整体的下降小于 的颗粒的除尘率基本稳定在.左右 相较于不添加壁面吸附条件时的仿真结果添加后除尘率大约下降了 不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时除尘率变化趋势如图 所示图 不同粒径颗粒在有无壁面吸附效果时除尘率的变化趋势 从图 可以看出与不添加壁面吸附效果时相似添加壁面吸附后对小粒径颗粒的吸收率一直稳定在一定的数值 但当颗粒粒径大于 后设备对这部分颗粒的除尘效果并不理想大部分颗粒会滞留在设备内部或掉落在极片之上 相比于不添加壁面吸附的过于理想的除尘结果通过添加壁面吸附效果机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验的 对颗粒的壁面边界条件的修改得到的仿真结果对小颗粒的除尘效果更具有物理意义也更贴近实际生产情况 结 语通过添加壁面吸附的 对颗粒物的壁面边界条件进行修正从而提升除尘设备除尘效率的仿真结果的可靠性 首先对除尘设备内部流场进行了分析流域内最大速度可以达到./但在颗粒投放平面处的最大速度仅为./这使得受空气流动影响小的大粒径颗粒不容易被排除切割区域这与仿真结果反映的现象一致 当粒径大于等于 时除尘率陡然下降在添加和不添加壁面吸附条件时除尘率都在 以下最低是出现在当粒径为 时前者为 后者也仅有.在添加壁面吸附条件之后对小于 粒径的颗粒来说设备的除尘率从.左右下降至.左右 对于大于 粒径的颗粒影响不大因为它们受重力的影响要远远大于其它合力的影响 相较于之前过于理想的除尘结果现在的仿真结果更加具有实际意义与实际生产过程中极片表面会附着细小的粉尘颗粒物的现象相吻合参考文献:杨绍斌梁 正.锂离子电池制造工艺原理与应用.北京:化学工业出版社.():.():.():.():.李 辉 申胜男.流体力学仿真软件 在工程中的应用.北京:科学出版社.王登超.工业捕集罩内不同粒径颗粒物与壁面碰撞的数值模拟研究.西安:西安建筑科技大学./.洁净室及相关受控环境第 部分:按粒子浓度划分空气洁净度等级.():.():.():.():.():.(上接第 页)图 爬壁机器人行走性能实验 结 语文章以船舶除漆爬壁机器人的永磁吸附装置为研究对象通过爬壁机器人力学模型得出可靠吸附所需的吸附力 以永磁体的磁质比为目标函数确定永磁吸附装置优化问题的数学模型基于试验设计方法通过有限元软件对永磁体的结构参数进行了优化大幅度提高了永磁体的磁能利用率 行走试验验证了优化设计后的永磁吸附装置在保证爬壁机器人可靠吸附于钢铁壁面的同时可实现灵活运动参考文献:夏平畴.永磁机构.北京:北京工业大学出版社.安 磊张春光褚 帅等.基于 阵列爬壁机器人永磁吸附装置有限元分析.机械研究与应用():.安 磊张春光褚 帅等.船舶除漆爬壁机器人永磁吸附装置的分析.机械制造():.沈青青张晋李根.基于 阵列爬壁机器人磁吸附单元的优化设计.轻工机械():.陈 勇.型永磁吸附机构的有限元分析及优化.高技术通讯():.尚晓江孟志华.结构分析理论详解与高级应用.北京:中国水利水电出版社.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用