CN108733945A - 一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法 - Google Patents

一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，具体如下：步骤1，对悬浮式烘箱所有风嘴进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱所有风嘴及其周围流体域的热风流场；步骤2，对悬浮式烘箱整体进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱整体的热风流场；步骤3，对悬浮式烘箱关键结构参数进行仿真分析，选取多组结构参数进行对比分析，获得最优关键结构参数；步骤4，利用步骤3所得五组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构优化及仿真分析，模拟结构优化后悬浮式烘箱整体的热风流场；步骤5，对比并分析结构优化前后六组悬浮式烘箱热风流场分布情况，确定悬浮式烘箱最佳模型及最佳结构参数。该方法方便地根据应用需要优化出烘箱干燥效率达到最优时设备结构参数。

Description

一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法
技术领域
本发明属于印刷包装行业设备技术领域，具体涉及一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法。
背景技术
近年来国内外印刷包装行业发展迅速，涂布机和凹印机作为印刷企业的重要生产设备，其生产效率、产品质量等关键参数均与干燥装置有着相当大的联系，干燥装置的性能已成为制约涂布机和凹印机等设备发展的主要因素之一。传统干燥设备在工作过程中不仅对环境造成严重污染同时消耗巨大能量，已不能满足现代绿色环保印刷的要求。悬浮烘干技术作为一种新型的热风干燥技术，利用空气动力学原理，由一系列上下水平交错或对称排列的空气喷嘴形成特殊热风流场，支撑基材在烘箱里面运行并干燥，相对于传统热风烘干技术而言，悬浮式烘箱中形成了湍流风场流，其特点在于可同时实现印刷承印物的双面烘干，并且有效地保护涂布材料及承印物表面，大幅度地提高了生产质量的干燥效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，能够方便地根据应用需要优化出烘箱干燥效率达到最优时设备结构参数。
本发明所采用的技术方案是，一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，包括如下步骤：
步骤1，对悬浮式烘箱所有风嘴进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱所有风嘴及其周围流体域的热风流场；
步骤2，对悬浮式烘箱整体进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱整体的热风流场；
步骤3，对悬浮式烘箱关键结构参数进行仿真分析，选取多组结构参数进行对比分析，获得最优关键结构参数；
步骤4，利用步骤3所得多组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构优化及仿真分析，模拟结构优化后悬浮式烘箱整体的热风流场；
步骤5，对比并分析结构优化步骤2及步骤4得到的悬浮式烘箱热风流场分布情况，确定悬浮式烘箱最佳模型及最佳结构参数。
本发明的特点还在于，
步骤1具体按如下步骤实施：
步骤1.1，依据悬浮式烘箱风嘴实际结构建立悬浮式烘箱整体风嘴三维模型，并对风嘴及其周围区域进行布尔运算，得到风嘴流体域物理模型；对风嘴流体域物理模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤1.2利用式(1)计算风嘴流体域雷诺数Re，依据雷诺数Re判断标准确定风嘴流体域的流动类型：
式中：ρ为流体的密度，单位：kg/m3；V为流体的平均流速，单位：m/s；L为圆管直径，非圆管流动时为当量直径，单位：m；μ为流体的粘性系数。
步骤1.3，对风嘴流体域数值模型进行仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立；
步骤1.4，对风嘴流体域数值模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤1.5，使用后处理软件对风嘴流体域数值模型进行后处理，获得风嘴流体域热风流动轨迹线图；
步骤1.6，对风嘴流体域数值模型所有风嘴进行速度场、温度场及压力场分析。
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1，依据悬浮式烘箱实际结构建立悬浮式烘箱三维模型，并对悬浮式烘三维模型进行布尔运算，得到悬浮式烘箱三维模型计算流体域；对悬浮式烘三维模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤2.2利用式(1)计算风嘴流体域雷诺数Re，依据雷诺数Re判断标准确定风嘴流体域的流动类型；
步骤2.3，对悬浮式烘箱三维模型进行流体域仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立，
步骤2.4，对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤2.5，使用后处理软件对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行后处理，获得悬浮式烘箱热风流动迹线图及背面迹线图；
步骤2.6，对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行速度场、温度场、压力场分析。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1，对实物悬浮式烘箱体进行简化，选取热风进入烘箱体后直至进入风嘴前的这一段流体域进行研究，将斜面角度L与前端距离α设为关键结构参数；
步骤3.2，分别建立ABCDE五种关键结构参数仿真模型，并分别对仿真模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤3.3，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立；
步骤3.4，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤3.5，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行速度场、温度场、压力场分析；
步骤3.6，对比分析五种不同模型ABCDE速度场、温度场、压力场计算结果，确定最佳模型及最优前端距离和倾斜角度。
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，利用步骤3得到的五组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构改进，获得五组改进后悬浮式烘箱，其中主要包括悬浮式烘箱中前端距离及倾斜角度的改变；
步骤4.2，建立五组改进后悬浮式烘箱的仿真模型并分别进行布尔运算，得到五组改进后结构仿真模型的计算流体域；对五组改进后结构仿真模型分别进行网格划分，采用混合网格并对整体流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤4.3，分别对五组改进后结构仿真模型进行流体域仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立，
步骤4.4，分别对五组改进后结构仿真模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤4.5，使用后处理软件对改进后悬浮式烘箱分别进行数值分析，得出五组改进后结构热风流动迹线图及改进结构背面迹线图；
步骤4.6，对五组改进后结构仿真模型计算流体域进行速度场、温度场、压力场分析。
步骤5具体包括以下步骤：
对比分析步骤2中的初始悬浮式烘箱与步骤4所得的五种改进优后悬浮式烘箱在速度场、温度场、压力场下的基材不同位置处速度值、温度值及压强值，确定烘干效率最高时的悬浮式烘箱结构为最优结构，其结构参数为最佳结构参数。
本发明的有益效果是：印刷包装行业中一种悬浮烘干系统烘箱体结构的优化方法，通过对悬浮式烘箱进行三维建模，模拟热风在整个烘箱内的热风流场，并对悬浮烘箱关键结构参数进行三维建模和模拟仿真分析，运用控制变量法选取六组结构参数进行对比分析，得到最优的前端距离和倾斜角度，最后悬浮式烘箱进行结构优化，使得基材在速度场和压力场更平稳，显著改善了干燥性能，大幅度提高了涂布质量和效率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，包括如下步骤：
步骤1，对悬浮式烘箱所有风嘴进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱所有风嘴及其周围流体域的热风流场；
步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1，依据悬浮式烘箱风嘴实际结构建立悬浮式烘箱整体风嘴三维模型，并对风嘴及其周围区域进行布尔运算，得到风嘴流体域物理模型；对风嘴流体域物理模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤1.2利用式(1)计算风嘴流体域雷诺数Re，依据雷诺数Re判断标准确定风嘴流体域的流动类型：
式中：ρ为流体的密度，单位：kg/m3；V为流体的平均流速，单位：m/s；L为圆管直径，非圆管流动时为当量直径，单位：m；μ为流体的粘性系数。
步骤1.3，对风嘴流体域数值模型进行仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立，
步骤1.3.1，根据实际工况设置边界条件：速度进口、压力出口、壁面条件；
步骤1.4，对风嘴流体域数值模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤1.5，使用后处理软件对风嘴流体域数值模型进行后处理，获得风嘴流体域热风流动轨迹线图；
步骤1.6，对风嘴流体域数值模型所有风嘴进行速度场、温度场及压力场分析；
步骤1.6.1，对同一风嘴流体域数值模型进行速度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处速度值及速度云图、切片速度云图；
步骤1.6.2，对同一风嘴流体域数值模型进行温度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处温度值及分布云图、切片温度云图；
步骤1.6.3，对同一风嘴流体域数值模型进行压力场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，得到基材不同位置处压强值及压强云图、切片压强云图。
步骤2，对悬浮式烘箱整体进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱整体的热风流场；
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1，依据悬浮式烘箱实际结构建立悬浮式烘箱三维模型，并对悬浮式烘三维模型进行布尔运算，得到悬浮式烘箱三维模型计算流体域；对悬浮式烘三维模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤2.2利用式(1)计算风嘴流体域雷诺数Re，依据雷诺数Re判断标准确定风嘴流体域的流动类型；
步骤2.3，对悬浮式烘箱三维模型进行流体域仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立，
步骤2.3.1，根据实际工况设置边界条件：速度进口、压力出口、壁面条件；
步骤2.4，对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤2.5，使用后处理软件对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行后处理，获得悬浮式烘箱热风流动迹线图及背面迹线图；
步骤2.6，对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行速度场、温度场、压力场分析；
步骤2.6.1，对悬浮式烘箱三维模型进行速度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处速度值及速度云图、切片速度云图；
步骤2.6.2，对悬浮式烘箱三维模型进行温度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处温度值及分布云图、切片温度云图；
步骤2.6.3，对悬浮式烘箱三维模型进行压力场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，得到基材不同位置处压强值及压强云图、切片压强云图。
步骤3，对悬浮式烘箱关键结构参数进行仿真分析，选取多组结构参数进行对比分析，获得最优关键结构参数；
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1，对实物悬浮式烘箱体进行简化，选取热风进入烘箱体后直至进入风嘴前的这一段流体域进行研究，将斜面角度L与前端距离α设为关键结构参数；
步骤3.1.1，设定初始模型O的尺寸以悬浮式烘箱实物为参照模型，保证各个悬浮式烘箱总长、宽、高不变的前提下，仅改变前端距离L和倾斜角度α，设置五种不同模型ABCDE，其前端距离和倾斜角度如表1所示：
表1.模型关键结构参数
步骤3.2，分别建立ABCDE五种关键结构参数仿真模型，并分别对仿真模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；；
步骤3.3，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立，
步骤3.3.1根据实际工况设置边界条件：速度进口、压力出口、壁面条件；
步骤3.4，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤3.5，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行速度场、温度场、压力场分析；
步骤3.5.1，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行速度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处速度值及速度云图、切片速度云图；
步骤3.5.2，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行温度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处温度值及分布云图、切片温度云图；
步骤3.5.3，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行压力场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，得到基材不同位置处压强值及压强云图、切片压强云图。
步骤3.6，对比分析五种不同模型ABCDE速度场、温度场、压力场计算结果，确定最佳模型及最优前端距离和倾斜角度。
步骤4，利用步骤3所得五组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构优化及仿真分析，模拟结构优化后悬浮式烘箱整体的热风流场；
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，利用步骤3得到的五组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构改进，获得五组改进后悬浮式烘箱，其中主要包括悬浮式烘箱中前端距离及倾斜角度的改变；
步骤4.2，建立五组改进后悬浮式烘箱的仿真模型并分别进行布尔运算，得到五组改进后结构仿真模型的计算流体域；对五组改进后结构仿真模型分别进行网格划分，采用混合网格并对整体流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤4.3，分别对五组改进后结构仿真模型进行流体域仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立，
步骤4.3.1，根据实际工况设置边界条件：速度进口、压力出口、壁面条件；
步骤4.4，分别对五组改进后结构仿真模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤4.5，使用后处理软件对改进后悬浮式烘箱分别进行数值分析，得出五组改进后结构热风流动迹线图及改进结构背面迹线图；
步骤4.6，对五组改进后结构仿真模型计算流体域进行速度场、温度场、压力场分析；
步骤4.6.1，对五组改进后结构仿真模型进行速度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处速度值及速度云图、切片速度云图；
步骤4.6.2，对五组改进后结构仿真模型进行温度场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，分别得到基材不同位置处温度值及分布云图、切片温度云图；
步骤4.6.3，对五组改进后结构仿真模型进行压力场分析，并沿横纵向方向进行切片处理，得到基材不同位置处压强值及压强云图、切片压强云图。
步骤5，对比并分析结构优化前后六组悬浮式烘箱热风流场分布情况，确定悬浮式烘箱最佳模型及最佳结构参数。
步骤5具体包括以下步骤：
对比分析步骤2中的初始悬浮式烘箱与步骤4所得的五种改进优后悬浮式烘箱在速度场、温度场、压力场下的基材不同位置处速度值、温度值及压强值，确定烘干效率最高时的悬浮式烘箱结构为最优结构，其结构参数为最佳结构参数。
本发明的一种悬浮烘干系统烘箱体结构的优化方法的优点是：通过对悬浮式烘箱进行三维建模，模拟热风在整个烘箱内的热风流场，并对悬浮烘箱关键结构参数进行三维建模和模拟仿真分析，运用控制变量法选取六组结构参数进行对比分析，得到最优的前端距离和倾斜角度，最后悬浮式烘箱进行结构优化，使得基材在速度场和压力场更平稳，显著改善了干燥性能，大幅度提高了涂布质量和效率。

Claims (6)

1.一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对悬浮式烘箱所有风嘴进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱所有风嘴及其周围流体域的热风流场；
步骤2，对悬浮式烘箱整体进行仿真分析，模拟悬浮式烘箱整体的热风流场；
步骤3，对悬浮式烘箱关键结构参数进行仿真分析，选取多组结构参数进行对比分析，获得最优关键结构参数；
步骤4，利用步骤3所得多组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构优化及仿真分析，模拟结构优化后悬浮式烘箱整体的热风流场；
步骤5，对比并分析结构优化步骤2及步骤4得到的悬浮式烘箱热风流场分布情况，确定悬浮式烘箱最佳模型及最佳结构参数。
2.根据权利要求1所述的一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，其特征在于，所述步骤1具体按如下步骤实施：
步骤1.1，依据悬浮式烘箱风嘴实际结构建立悬浮式烘箱整体风嘴三维模型，并对风嘴及其周围区域进行布尔运算，得到风嘴流体域物理模型；对风嘴流体域物理模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤1.2利用式(1)计算风嘴流体域雷诺数Re，依据雷诺数Re判断标准确定风嘴流体域的流动类型：
式中：ρ为流体的密度，单位：kg/m3；V为流体的平均流速，单位：m/s；L为圆管直径，非圆管流动时为当量直径，单位：m；μ为流体的粘性系数；
步骤1.3，对风嘴流体域数值模型进行仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立；
步骤1.4，对风嘴流体域数值模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤1.5，使用后处理软件对风嘴流体域数值模型进行后处理，获得风嘴流体域热风流动轨迹线图；
步骤1.6，对风嘴流体域数值模型所有风嘴进行速度场、温度场及压力场分析。
3.根据权利要求2所述的一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1，依据悬浮式烘箱实际结构建立悬浮式烘箱三维模型，并对悬浮式烘三维模型进行布尔运算，得到悬浮式烘箱三维模型计算流体域；对悬浮式烘三维模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤2.2利用式(1)计算风嘴流体域雷诺数Re，依据雷诺数Re判断标准确定风嘴流体域的流动类型；
步骤2.3，对悬浮式烘箱三维模型进行流体域仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立；
步骤2.4，对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤2.5，使用后处理软件对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行后处理，获得悬浮式烘箱热风流动迹线图及背面迹线图；
步骤2.6，对悬浮式烘箱三维模型计算流体域进行速度场、温度场、压力场分析。
4.根据权利要求3所述的一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1，对实物悬浮式烘箱体进行简化，选取热风进入烘箱体后直至进入风嘴前的这一段流体域进行研究，将斜面角度L与前端距离α设为关键结构参数；
步骤3.2，分别建立ABCDE五种关键结构参数仿真模型，并分别对仿真模型进行网格划分，采用混合网格并对风嘴流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤3.3，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立；
步骤3.4，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤3.5，分别对ABCDE五种关键结构参数仿真模型进行速度场、温度场、压力场分析；
步骤3.6，对比分析五种不同模型ABCDE速度场、温度场、压力场计算结果，确定最佳模型及最优前端距离和倾斜角度。
5.根据权利要求4所述的一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，利用步骤3得到的五组关键结构参数对悬浮式烘箱整体进行结构改进，获得五组改进后悬浮式烘箱，其中主要包括悬浮式烘箱中前端距离及倾斜角度的改变；
步骤4.2，建立五组改进后悬浮式烘箱的仿真模型并分别进行布尔运算，得到五组改进后结构仿真模型的计算流体域；对五组改进后结构仿真模型分别进行网格划分，采用混合网格并对整体流体域网格划分结果进行网格检查；
步骤4.3，分别对五组改进后结构仿真模型进行流体域仿真分析，其中包括边界条件设置及湍流模型建立；
步骤4.4，分别对五组改进后结构仿真模型进行初始化，设置计算步数并开始计算，当达到收敛状态后停止计算；
步骤4.5，使用后处理软件对改进后悬浮式烘箱分别进行数值分析，得出五组改进后结构热风流动迹线图及改进结构背面迹线图；
步骤4.6，对五组改进后结构仿真模型计算流体域进行速度场、温度场、压力场分析。
6.根据权利要求5所述的一种悬浮烘干装置烘箱体结构的优化方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：
对比分析步骤2中的初始悬浮式烘箱与步骤4所得的五种改进优后悬浮式烘箱在速度场、温度场、压力场下的基材不同位置处速度值、温度值及压强值，确定烘干效率最高时的悬浮式烘箱结构为最优结构，其结构参数为最佳结构参数。
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