基于Ansys Fluent的吹膜旋转牵引气垫辊出风均匀性研究

摘    要：随着吹膜生产线中旋转牵引部件的广泛应用，气垫辊部件在旋转牵引中扮演着至关重要的角色。出风均匀性作为气垫辊设计合理性的重要指标，对于薄膜的物理性能和生产效率具有重要影响。本文通过使用Ansys Fluent这一流体力学数值模拟软件，研究了吹膜旋转牵引气垫辊内部的流动行为，并探讨了不同设计参数对出风均匀性的影响。通过数值模拟结果的分析和对比，可以为气垫辊的设计和优化提供理论指导，以提高吹膜工艺的质量和效率。

关键词：吹膜;旋转牵引气垫辊;数值模拟;Ansys Fluent;

0 引言

随着塑料薄膜在包装、农业覆盖等领域的广泛应用，吹膜工艺作为一种主要的薄膜制备方法，已成为塑料加工行业中的关键工艺之一。在吹膜工艺中，气垫辊是旋转牵引部件中使用的一种特殊辊筒，具有中空结构。它的主要作用是在旋转牵引过程中支撑塑料薄膜，使其均匀地通过拉伸区域。气垫辊被广泛应用于薄膜的牵引和冷却过程，它通过向薄膜提供冷却作用并降低薄膜与辊筒表面的摩擦作用，确保薄膜在制备过程中保持良好的平整度和物理性能。在吹膜工艺中，出风均匀性是评估气垫辊设计合理性的重要指标之一。不均匀的出风会导致薄膜表面厚度不均、波纹等缺陷，影响薄膜的物理性能和外观质量。因此，研究如何提高旋转牵引气垫辊的出风均匀性对于改善吹膜工艺的质量和效率具有重要意义。

数值模拟方法在吹膜工艺研究中得到了广泛应用。通过建立吹膜工艺的数学模型，可以对气流场、温度场和压力场等参数进行准确的预测和分析，为吹膜工艺的优化提供理论支持。目前，对于旋转牵引气垫辊出风均匀性的研究主要集中在实验和经验方法上，多数依靠设计经验积累与实验试错多次修改总结，缺乏基于数值模拟的深入研究。因此，本文旨在通过Ansys Fluent这一流体力学数值模拟软件，对吹膜旋转牵引气垫辊的出风均匀性进行数值模拟研究，为改善吹膜工艺提供理论指导，通过科学设计手段拓宽气垫辊设计思路并提升优化设计效率。

1 研究方法

数值模拟可以提供详尽的流场信息，包括速度分布、压力分布、温度分布等，帮助我们深入了解气垫辊内部的流动行为。通过数值模拟仿真结果分析对气垫辊的设计参数进行调整和优化，能够改善出风均匀性，并优化吹膜工艺的质量和效率。我们可以通过调整气垫辊的出风口尺寸、气流速度、进气方向等设计参数，来模拟不同工艺条件下的气垫辊流动行为。通过数值模拟的结果，我们能够直观地观察到流动的变化趋势，并准确评估出风均匀性的改善程度。这种基于数值模拟的设计方法可以大大缩短设计周期，并降低实验成本，为气垫辊的优化设计提供高效可靠的手段。此外，数值模拟还可以进行参数敏感性分析，通过改变不同设计参数的数值，评估其对出风均匀性的影响程度。通过这种方式，我们可以确定关键参数，并找到最佳的设计组合，以实现出风均匀性的最优化。

综上所述，数值模拟在气垫辊设计中具有重要的作用。它能够提供详尽的流场信息，指导气垫辊设计参数的优化，并帮助改善出风均匀性，提高吹膜工艺的质量和效率。通过数值模拟，我们能够更好地理解和优化气垫辊的设计，为吹膜工艺的改进提供有力的理论支持和指导。

本研究采用了基于计算流体力学（CFD）的数值模拟方法。通过对Navier-Stokes方程、能量方程和湍流模型等进行离散化和数值求解，可以模拟出旋转牵引气垫辊内部的流动行为。该仿真算例采用了基于有限体积法的数值求解方法。通过将计算域划分为网格单元，对流动方程和能量方程进行离散化，并采用迭代算法求解，得到数值模拟结果。模拟分析流程如图1所示。

图1 模拟分析流程 

1.1 几何模型建立

在数值模拟中，几何模型的建立需要考虑气垫辊的内部结构和外部流场的相互作用。辊外侧区域为外部环境流体区域，忽略风机管道长度影响。空气由气垫辊两端进入位于气垫辊中心位置的中心管，并通过多个均匀分布的均风孔将气流均匀地引入到气垫辊内部，随后从气垫辊上细孔排出。简化后结合实际工况使用三维建模软件建立旋转牵引气垫辊的几何模型，考虑到该案例中两端进风的大辊面若采用常规中心管均风孔等距均分设计存在中间风量偏小的问题，该中心管设计为两端小孔径大孔距，中间大孔径小孔距，如图2所示。

图2 几何模型 

1.2 网格划分设置

针对旋转牵引气垫辊的几何模型，进行网格划分和网格生成，以确保模拟结果的准确性和可靠性。结合该气垫辊几何模型，使用非结构化六面体网格，在细孔区域使用高密度网格，网格尺寸大小设置为0.5mm，保证细孔区域的网格精度，空腔区域网格尺寸较大以提高计算效率。该模拟仿真进行了网格独立性分析，本文中采用网格密度满足网格独立性。

流体区域网格划分结果如图3所示，平均网格质量为0.926 853，数值越接近1，网格质量越高，该网格质量符合算例网格质量要求。

图3 网格质量  

1.3 边界条件设置

设置适当的边界条件，根据实际情况，设置旋转牵引气垫辊内部和外部的边界条件，包括入口速度、出口压力等。将供应商提供的风机参数曲线如图4所示转化为输入参数，完善入口处风机设置，定义气垫辊两端入口。将出口边界条件设置为大气压，模拟气垫辊中空气排出到环境中。

图4 风机曲线

完成算例设置后进行迭代计算直至结果收敛，得到模拟仿真结果。

2 模拟仿真结果分析

由模拟仿真结果可以看出流体区域速度分布与预期一致，在中心管处由两端向中心风速有所减小，空气通过中心管上的分配孔加速进入气垫辊腔体建立内压再由气垫辊上细孔排出。流体区域速度云图如图5所示，XY截面速度云图如图6所示，细孔出口处风速曲线如图7所示。

在距离出风细孔5 mm处划线取值，查看各细孔风速曲线如图7所示，平均风速31.8 m/s,风速偏差约10%，且无明显大周期趋势变化，气垫辊出风情况满足使用要求。

图5 流体区域速度云图 

图6 XY截面速度云图  

图7 细孔出口处风速曲线  

气垫辊两端入口处压力如上图8所示，与选型风机静压参数进行对比，结合气垫辊细孔出口风速判断可知，风机选型合理。风机在克服系统静压后提供动压满足使用要求。

图8 气垫辊两端入口处压力

3 结论与展望

本研究基于Ansys Fluent软件，通过数值模拟方法研究了吹膜旋转牵引气垫辊的出风均匀性。通过模拟结果的分析，得出了对气垫辊设计和优化的一些有益指导，为吹膜工艺的改进提供了理论支持。在该仿真案例中，通过中心管设计两端小孔径大孔距，中间大孔径小孔距，对空气在气垫辊内部分配经过模拟仿真验证，气垫辊出风风速及均匀性满足使用要求。在两端进风的大辊面气垫辊设计中，中心管的均风孔位置设计尤为重要，通过中心管均风孔的设计和布局，可以实现气垫辊内部的气流均匀分布。

均风孔的合理设计可以确保气流从中心管均匀地喷出，并在整个气垫辊表面形成均匀的出风流场。这对于薄膜的牵引和冷却过程至关重要，能够有效减小薄膜表面的厚度变化和波纹等不均匀性。

中心管均风孔的直径、数量和布局都对出风均匀性产生影响。较小的孔径和适当的数量可以提供较高的气流速度和均匀的出风分布，从而改善出风均匀性。此外，合理的布局可以使气流覆盖整个气垫辊表面，减小气流速度和压力的梯度，进一步提高出风均匀性。

出风均匀性的改善对于薄膜质量和工艺稳定性具有重要意义。均匀的出风能够保持薄膜的平整度，减少厚度变化和表面缺陷，提高薄膜的物理性能和外观质量。同时，出风均匀性的提高还能够降低生产过程中的不稳定性和浪费，提高生产效率和产品的一致性。因此，对于气垫辊设计中心管均风孔时，需要考虑孔径、数量和布局等因素，以确保出风均匀性的最优化。通过合理的设计和优化，中心管均风孔可以有效改善气垫辊的出风均匀性，提高吹膜工艺的质量和效率。

本研究还存在一些局限性，对气垫辊表面细孔分布的多样性，需要进一步的模拟验证及研究改进。未来的研究可以进一步拓展数值模拟的范围和精度，探究多种中心管设计与气垫辊细孔排列的组合效果结合实验验证，探究更多设计参数对旋转牵引气垫辊出风均匀性的影响，提出更具实际应用价值的优化方案。

参考文献

[1] 刘思杰，孙琪，刘家斌.基于ANSYS Fluent的计算流体力学分析.北京理工大学出版社，2016.

[2] 王建伟，唐文秀，王国庆.流体力学数值计算与应用.北京航空航天大学出版社，2012.

文章来源： 橡塑技术与装备. 2023,49(11)