CN109492280B - 一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法 - Google Patents

一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109492280B
CN109492280B CN201811254577.XA CN201811254577A CN109492280B CN 109492280 B CN109492280 B CN 109492280B CN 201811254577 A CN201811254577 A CN 201811254577A CN 109492280 B CN109492280 B CN 109492280B
Authority
CN
China
Prior art keywords
base material
flow field
calculation
deformation
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811254577.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109492280A (zh
Inventor
杨志明
周华民
张云
王云明
周军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Xinyuren Technology Co Ltd
Original Assignee
Shenzhen Xinyuren Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Xinyuren Technology Co Ltd filed Critical Shenzhen Xinyuren Technology Co Ltd
Priority to CN201811254577.XA priority Critical patent/CN109492280B/zh
Publication of CN109492280A publication Critical patent/CN109492280A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109492280B publication Critical patent/CN109492280B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Coating Apparatus (AREA)

Abstract

本发明属于卷对卷制造过程中的涂布相关领域，并公开了一种双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法，该方法包括以下步骤：(1)建立双面狭缝涂布接触式模头模唇部分与基材所形成计算域的几何模型；(2)流场网格划分；(3)建立浆料流场的VOF两相流模型和基材变形模型；(4)给定边界条件和初始条件进行初始化，进行初始流场计算；(5)将步骤四中的定常流场数值计算结果(主要为基材表面的压力分布)作为初始条件进行流固耦合数值计算。本发明以VOF和流固耦合模拟方法作为基础，通过计算模拟来指导双面狭缝涂布接触式模头的设计，可有效降低模头制造成本并提高涂布均匀性。本方法充分考虑了双面涂布过程中第二面涂布时，由于缺少背辊支撑导致的基材变形对涂布液珠成形过程和涂布均匀性的影响，通过对FLUENT进行二次开发，嵌入基材变形的用户自定义程序，提高了数值预测精度与可靠性。

Description

一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法
技术领域
本发明涉及计算机数值模拟及卷对卷制造过程中的涂布领域，更具体的，涉及一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法。
背景技术
涂布是将前工序制作好的浆料均匀的涂覆在基材上，再经烘箱干燥，最后回收成卷的制造过程，是卷对卷制造过程中必不可少的步骤，也是直接影响产品容量、一致性的关键工序。目前主流涂布技术主要采用单面狭缝涂布，即先涂布基材第一面，干燥收卷后再放卷，对基材第二面涂布后干燥收卷。采用这种涂布方式主要有两个问题，一是涂布第一面上的浆料将经历两次干燥过程，容易导致两面浆料性质及表面形貌产生差异，从而极片均匀性较差；二是重复收卷放卷导致设备效率较低，能源消耗加大，产能无法提升。
由于以上单面涂布的固有缺陷，越来越多企业开始研发双面狭缝涂布，但目前双面狭缝涂布存在一个关键难点，涂布第二面时由于第一面浆料尚未干燥，因此无法使用背辊支撑基材，在干燥热风的作用下，基材容易产生波动，从而导致漏箔、气孔、涂布不均匀等各种涂布缺陷，在这种情况下，需要靠狭缝涂布模头自身对基材提供支撑，在涂布液珠成形的小范围流动域中消除基材波动，这种涂布模头称之为接触式模头。与此同时，在流动浆料的压力作用下，基材很容易产生变形，导致涂布间隙发生变化，从而改变涂布工艺参数的范围和涂布液珠成形过程，因此对双面狭缝涂布接触式模头进行模拟计算，分析涂布液珠成形过程对双面涂布至关重要。
目前狭缝涂布的模拟计算主要集中在单面狭缝涂布，该工艺下基材稳定无波动变形。如文献(徐方超，李增辉，兰红波.狭缝涂布理论建模与数值模拟[J].青岛理工大学学报，2014，35(5)：110-114.)，采用VOF模型模拟单面涂布过程中涂布液珠的形成情况。又如文献(梁军杰，周华民，陶波，等.双腔式锂电池涂布浆料狭缝模头的流场数值模拟与分析[J].模具工业，2016，42(10)：5-10.，周芸福.动力锂电池极片狭缝式涂布机头研究[D].东南大学，2014.)等采用CFD方法模拟了单面狭缝中所用双腔式狭缝涂布模头型腔中的浆料流动情况及模头设计方法，但上述文献中都只是针对单面涂布过程的模拟，未考虑双面狭缝涂布过程中涂布第二面时的基材变形情况，并不适用于双面狭缝涂布模拟，无法指导双面狭缝涂布接触式模头设计。
发明内容
本发明主要针对目前狭缝涂布模拟计算方法中存在的不足，提出了一种双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法，该方法能够准确分析双面涂布中第二面涂布时基材变形对涂布液珠的成形过程和对涂布稳定性的影响。基于此，该计算方法主要包括以下步骤：
步骤一、建立双面狭缝涂布接触式模头模唇部分与基材所形成流场计算域的几何模型。
步骤二、流场计算域网格划分。对步骤一建立的流场几何模型进行网格划分，在基材壁面及模唇边界等相对运动较大处增加网格密度，以便提高计算精度并更好捕捉基材表面压力。
步骤三、建立流场中浆料流动的VOF两相流模型和基材变形模型。
步骤3.1、VOF两相流模型包括体积分数方程、连续方程和动量方程，分别为：
Figure BDA0001840608690000021
Figure BDA0001840608690000022
Figure BDA0001840608690000023
上式中αair、ρ和
Figure BDA0001840608690000024
的计算公式如下所示：
αair＝1-αslurry (4)
ρ＝αslurryρslurry+αairρair (5)
Figure BDA0001840608690000025
式中αslurry表示浆料相的体积分数，αair表示空气相的体积分数，
Figure BDA0001840608690000026
表示流体速度张量，
Figure BDA0001840608690000027
表示动网格速度张量，ρ表示密度，ρslurry表示浆料密度，ρair表示空气密度，P表示压强。
步骤3.2、基材变形控制方程为：
Figure BDA0001840608690000028
基材变形的边界条件和初始条件为：
Figure BDA0001840608690000031
式中m为基材单位面积的质量，y和Vw表示基材的垂直位移与基材的轴向运动速度，F表示基材中的张力。
步骤四、给定流场边界条件进行初始化，进行流场的初始计算。其中流场入口给定速度边界条件，出口给定平均静压条件，模唇表面给定无滑移光滑壁面边界条件，基材表面给定恒定滑移速度壁面边界条件，初始流场计算先不考虑基材变形，利用FLUENT中的SIMPLEC求解器进行流场数值计算，其中压力采用PRESTO离散格式，扩散项采用中心差分离散格式，对流上采用二阶迎风格式，可以得到基材表面的速度、压力分布。
步骤五、将步骤四中的初始流场数值计算结果(主要为基材表面的压力分布)作为初始条件进行流固耦合数值计算。流固耦合数值计算方法如下：
步骤5.1、读取基材表面的压力，通过方程(7)计算出基材的变形情况即y值。
步骤5.2、根据步骤5.1所计算的变形结果，通过FLUENT动网格中的扩散光顺方法对网格进行更新，得到新的基材表面位置。
步骤5.3、根据新的基材表面位置，更新计算流体域的速度、压力分布。
步骤5.4、重复步骤5.1至步骤5.3的计算过程，直至达到预定求解时间或者数值计算结果收敛，得到最终基材的变形量以及最终的流体域流场，从而得到涂布液珠成形过程。
与现有模拟计算方法相比，本发明考虑了双面狭缝涂布过程中第二面涂布时，由于缺少背辊支撑导致的基材变形对涂布液珠成形过程和涂布均匀性的影响，通过建立基于余弦级数的基材变形模型，实现了基材变形与流场的双向耦合计算，大大提高了数值预测精度与可靠性，可用于双面涂布接触式模头的指导优化设计。
附图说明
图1狭缝涂布模头、基材、烘箱相对位置整体示意图。
图2双面狭缝涂布接触式模头模唇结构参数示意图。
图3计算域几何模型及其边界条件示意图(D＝0mm时)。
图4计算域网格划分示意图(D＝0mm时)。
图5双面狭缝涂布接触式模头流固耦合计算流程示意图。
图6考虑基材变形与不考虑基材变形的浆料流动场示意图。
图7考虑基材变形与不考虑基材变形的涂布厚度均匀性对比图。
图中，1-非接触式模头；2-接触式模头；3-基材；4-烘箱；5-悬浮风嘴；6-计算域；7-浆料速度入口；8-压力出口；G-涂布间隙；H-狭缝宽度；D-模唇与基材接触位置；a-倾斜角度。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
步骤一：建立双面狭缝涂布接触式模头模唇部分与基材所形成计算域的几何模型，如图3所示。
基材材料为铜箔，主要材料属性为：密度ρ＝8900kg/m3，弹性模量E＝121GPa，厚度t＝10μm。流场介质为锂电池浆料和空气，浆料属性为：非牛顿流体，密度ρ＝1340kg/m3，，满足幂律模型μ＝kγn＝59.4*γ0.37，表面张力0.05132N/m，与基材接触角25.6°；空气属性为：密度ρ＝1.225kg/m3，动力粘度μ＝1.7895e-5kg/(m·s)。
步骤二：流场计算域网格划分。
对流场区域进行网格划分，如图4所示，此处G＝0.25mm，H＝0.4mm，D＝0mm，整个流场采用结构化网格，上下靠近壁面和基材位置的网格进行加密，将建立的网格文件保存输出为*.msh格式。
步骤三、建立流场中浆料流动的VOF两相流模型和基材变形模型。
步骤3.1、VOF两相流模型包括体积分数方程、连续方程和动量方程，分别为：
Figure BDA0001840608690000041
Figure BDA0001840608690000042
Figure BDA0001840608690000043
上式中αair、ρ和
Figure BDA0001840608690000044
的计算公式如下所示：
αair＝1-αslurry (4)
ρ＝αslurryρslurry+αairρair (5)
Figure BDA0001840608690000051
式中αslurry表示浆料相的体积分数，αair表示空气相的体积分数，
Figure BDA0001840608690000052
表示流体速度张量，
Figure BDA0001840608690000053
表示动网格速度张量，ρ表示密度，ρslurry表示浆料密度，ρair表示空气密度，P表示压强。
步骤3.2、基材变形控制方程为：
Figure BDA0001840608690000054
基材变形的边界条件和初始条件为：
Figure BDA0001840608690000055
式中m为基材单位面积的质量，y和Vw表示基材的垂直位移与柔性基材的轴向运动速度，F表示基材中的张力。
步骤四、给定边界条件和初始条件进行初始化，进行初始流场计算，其中流场入口给定速度边界条件，出口给定平均静压条件，模唇表面给定无滑移光滑壁面边界条件，基材表面给定恒定滑移速度壁面边界条件，先不考虑基材变形，利用FLUENT中的SIMPLEC求解器进行流场数值计算，其中压力采用PRESTO离散格式，扩散项采用中心差分离散格式，对流上采用二阶迎风格式，可以得到基材表面的速度、压力分布。
步骤五、将步骤四中的初始流场数值计算结果(主要为基材表面的压力分布)作为初始条件进行流固耦合数值计算。流固耦合数值计算方法如下：
步骤5.1、读取基材表面的压力，通过方程(7)计算出基材的变形情况即y值。
为求解方程(7)，取余弦级数作为基材变形曲线的近似解，即：
Figure BDA0001840608690000056
变形方程能够自动满足边界条件和初始条件，将该近似解代入到控制方程(7)，可得控制方程的残差：
Figure BDA0001840608690000061
其中：
Figure BDA0001840608690000062
采用Galerkin加权余量法求解微分控制方程，对于级数的第k项有：
Figure BDA0001840608690000063
得到如下常微分方程：
Figure BDA0001840608690000064
采用中心差分法求解常微分方程(13)：
Figure BDA0001840608690000065
将方程(14)代入(13)得到迭代方程：
Figure BDA0001840608690000066
根据该迭代方程即可求得任何时间的余弦项系数ak，从而得到基材变形的近似解。
步骤5.2、根据步骤5.1所计算的变形结果，通过FLUENT动网格中的扩散光顺方法对网格进行更新，得到新的基材表面位置。
步骤5.3、根据新的基材表面位置，更新计算流体域的速度、压力分布。
步骤5.4、重复步骤5.1至步骤5.3的计算过程，直至达到预定求解时间或者数值计算结果收敛，得到最终基材的变形量以及最终的流体域流场，从而得到涂布液珠成形过程。
图6是考虑基材变形与不考虑基材变形的浆料流动场示意图，图7是考虑基材变形与不考虑基材变形的涂布厚度均匀性对比图，从图6和图7可以看出，基材的变形会导致浆料流动场和涂布均匀性发生明显变化，考虑实际情况中的基材变形情况，才能有效提高模拟的准确度，从而指导后续的模头设计和优化。

Claims (2)

1.一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、建立双面狭缝涂布接触式模头模唇部分与基材所形成流场计算域的几何模型；
步骤二、流场计算域网格划分；对步骤一建立的流场几何模型进行网格划分，在基材壁面及模唇边界相对运动较大处增加网格密度，以便提高计算精度并更好捕捉基材表面压力；
步骤三、建立流场中浆料流动的VOF两相流模型和基材变形模型；
步骤3.1、VOF两相流模型包括体积分数方程、连续方程和动量方程，分别为：
Figure FDA0002525350320000011
Figure FDA0002525350320000012
Figure FDA0002525350320000013
上式中αair、ρ和
Figure FDA0002525350320000014
的计算公式如下所示：
αair＝1-αslurry (4)
ρ＝αslurryρslurry+αairρair (5)
Figure FDA0002525350320000015
式中αslurry表示浆料相的体积分数，αair表示空气相的体积分数，
Figure FDA0002525350320000016
表示流体速度张量，
Figure FDA0002525350320000017
表示动网格速度张量，ρ表示密度，ρslurry表示浆料密度，ρair表示空气密度，P表示压强；
步骤3.2、基材变形控制方程为：
Figure FDA0002525350320000021
基材变形的边界条件和初始条件为：
Figure FDA0002525350320000022
式中m为基材单位面积的质量，y和Vw表示基材的垂直位移与基材的轴向运动速度，F表示基材中的张力；
步骤四、给定流场边界条件进行初始化，进行流场的初始计算，其中流场入口给定速度边界条件，出口给定平均静压条件，模唇表面给定无滑移光滑壁面边界条件，基材表面给定恒定滑移速度壁面边界条件，初始流场计算先不考虑基材变形，利用FLUENT中的SIMPLEC求解器进行流场数值计算，其中压力采用PRESTO离散格式，扩散项采用中心差分离散格式，对流上采用二阶迎风格式，可以得到基材表面的速度、压力分布；
步骤五、将步骤四中的初始流场数值计算结果，主要为基材表面的压力分布作为初始条件进行流固耦合数值计算；流固耦合数值计算方法如下：
步骤5.1、读取基材表面的压力，通过方程(7)计算出基材的变形情况即y值；
步骤5.2、根据步骤5.1所计算的变形结果，通过FLUENT动网格中的扩散光顺方法对网格进行更新，得到新的基材表面位置；
步骤5.3、根据新的基材表面位置，更新计算流体域的速度、压力分布；
步骤5.4、重复步骤5.1至步骤5.3的计算过程，直至达到预定求解时间或者数值计算结果收敛，得到最终基材的变形量以及最终的流体域流场，从而得到涂布液珠成形过程。
2.根据权利要求1所述的用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法，其特征在于：建立了双面狭缝涂布过程中第二面涂布时基于余弦级数的基材变形模型，并通过对FLUENT进行二次开发，直接嵌入基材变形的用户自定义程序，实现基材变形与流场的双向流固耦合计算。
CN201811254577.XA 2018-10-25 2018-10-25 一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法 Active CN109492280B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811254577.XA CN109492280B (zh) 2018-10-25 2018-10-25 一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811254577.XA CN109492280B (zh) 2018-10-25 2018-10-25 一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109492280A CN109492280A (zh) 2019-03-19
CN109492280B true CN109492280B (zh) 2020-08-04

Family

ID=65692695

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811254577.XA Active CN109492280B (zh) 2018-10-25 2018-10-25 一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109492280B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111398290B (zh) * 2020-03-20 2021-02-12 华中科技大学 一种适用于狭缝式涂布的涂布液珠缺陷识别方法
CN114510858B (zh) * 2022-01-06 2023-06-30 河北乐凯化工工程设计有限公司 一种基于非牛顿流体的流场确定方法、设备及介质
CN115945353A (zh) * 2023-02-03 2023-04-11 上川精密科技(无锡)有限公司 一种用于锂电池浆料的涂布模头及v角确定方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102218385A (zh) * 2010-04-13 2011-10-19 富士机械工业株式会社 涂布装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017189722A (ja) * 2016-04-11 2017-10-19 凸版印刷株式会社 スロットダイおよび塗工装置
CN106378281A (zh) * 2016-10-27 2017-02-08 重庆文理学院 一种调节式狭缝涂布机
CN106733463A (zh) * 2016-12-29 2017-05-31 成都国珈星际固态锂电科技有限公司 涂布模头擦拭机构和涂布机以及擦拭涂布模头的方法
CN107341315B (zh) * 2017-07-11 2020-01-14 东北大学 采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法
CN207951873U (zh) * 2017-12-06 2018-10-12 浙江衡远新能源科技有限公司 一种涂布机用狭缝式模头结构

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102218385A (zh) * 2010-04-13 2011-10-19 富士机械工业株式会社 涂布装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109492280A (zh) 2019-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109492280B (zh) 一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法
CN111460699B (zh) 平壁表面减阻功能微织构的设计方法
Aidun et al. Global stability of a lid‐driven cavity with throughflow: Flow visualization studies
CN110083796B (zh) 一种开孔防波堤水动力分析方法
Xie Numerical modelling of wind effects on breaking waves in the surf zone
Ma et al. Numerical investigation of trajectory and attitude robustness of an underwater vehicle considering the uncertainty of platform velocity and yaw angle
CN108846185A (zh) 一种水中高压脉动气泡运动与载荷的实验与数值联合方法
Ha et al. Three-dimensional numerical simulation of solitary wave run-up using the IB method
CN114065567A (zh) 一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法和装置
CN111664823A (zh) 基于介质热传导系数差异的均压电极垢层厚度检测方法
Esteghamatian et al. Spatiotemporal characterization of turbulent channel flow with a hyperelastic compliant wall
Huang et al. Simulation of the early stage water flooding through an opening using boundary element method
Gucheng et al. A numerical investigation on hydrodynamic characteristics of the circulating water channel
Diao et al. Three-dimensional prediction of reservoir water temperature by the lattice Boltzmann method: Validation
CN115146383B (zh) 一种预报超疏水表面曲面边界层转捩位置的方法
CN108682046B (zh) 带有柔性基材的悬浮喷嘴计算方法
Mählmann et al. Buoyancy-driven motion of a two-dimensional bubble or drop through a viscous liquid in the presence of a vertical electric field
CN111596356B (zh) 一种昔格达组地层岩质边坡的地震惯性力计算方法
CN113935175A (zh) 边水气藏水平井见水时间预测方法及装置
Laws et al. A Study on OpenFOAM's Overset Mesh Support Using Flow Past NACA 0018 Airfoil
CN108256140B (zh) 一种基于水量交换的多重介质耦合的地下水流计算方法
Zhao et al. A three-dimensional one-layer particle level set method
Hu et al. SPH numerical simulation of non-steady sand ripple wind-sand flow structure
US20120253768A1 (en) Simulating a Droplet with Moving Contact Edge on a Planar Surface
JP6167554B2 (ja) 流路形状最適化方法及び流路形状最適化装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant