CN110705075A - 一种静压箱孔板的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于双向拉伸机静压箱的设计领域。一种静压箱孔板的优化设计方法，该优化设计方法基于已有静压箱组孔口排布的方式，在仿真软件中进行静压箱中的热力学仿真分析，从而对待优化的静压箱孔板的结构优化提供依据；根据热力学仿真分析结果，进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度的实验数据，将实验数据与仿真数据进行比较，并以仿真数据来优化改进静压箱孔板结构；再根据模拟实验测试的实验数据，对待优化的静压箱孔板进行尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。本发明基于热力学分析具有可靠性基础，通过建模分析与模拟实验相结合，对静压箱孔板进行结构优化，达到温度场稳定的目的。
Description
技术领域
本发明属于双向拉伸机静压箱的设计领域，具体涉及一种静压箱孔板的优化设计方法。
背景技术
目前我国薄膜业一直在飞速发展，在薄膜温控系统的研究与应用中，也总结和借鉴了许多成熟的经验。但目前我国较成熟的薄膜生产线采用的还是中空的长方体静压箱，待优化的静压箱的进风口与风机、加热器相连，外壳构成一个中空的长方体壳体，中间部位形成一定的空间为热空气进气预留了位置，上表面需用钻台打上布列均匀且大小相同的小孔，薄膜就将置于排气孔上方进行拉伸，其温度会存在几度的误差，极大的影响了薄膜的制备。
然而利用热力学分析之后改善结构来实现均匀温度场的措施在我国各类机械的研究中已经使用了多次。在军事方面，高俊东等人对船载机蒸汽弹射器热力学仿真分析，通过实验数据的对比分析，来验证说明所建模型的可行性和正确性，其仿真结果也可为蒸汽弹射器的设计与实验提供有益参考；在科技方面，杜艳君等人对制冷器内部的流动换热进行了热力学仿真，并对换热器的结构尺寸进行优化，最终满足系统运行工况参数要求，实现校核偏差小于1％；在生活方面，张更娥等人通过对汽车排气系统的旋流增压器及旋流减压器进行了热力学分析，优化设计一套旋流减压器及旋流增压器，来达到净化尾气，减小发动机损失，提高发动机效率。
静压箱孔板结构不仅影响保温横拉区间的热气流分布,且对薄膜的换热均匀性等有不同程度的影响，如今很多传统的静压箱孔板，受温度不均匀问题的严重影响，目前为止，还没有提出有效的优化设计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术问题的缺点，提供一种静压箱孔板的优化设计方法，该方法基于热力学分析具有可靠性基础，通过建模分析与模拟实验相结合，对静压箱孔板进行结构优化，达到温度场稳定的目的。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种静压箱孔板的优化设计方法，基于已有静压箱组孔口排布的方式，在仿真软件中进行静压箱中的热力学仿真分析，从而对待优化的静压箱孔板的结构优化提供依据；根据热力学仿真分析结果，进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度的实验数据，将实验数据与仿真数据进行比较，并以仿真数据来优化改进静压箱孔板结构；再根据模拟实验测试的实验数据，对待优化的静压箱孔板进行尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。
进一步的，优化设计方法的具体步骤如下：
步骤一：构建待优化的静压箱孔板模型，利用AVL-FIRE软件进行静压箱中的热力学仿真分析；
步骤二：在热力学仿真分析的基础上进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度数据与仿真数据进行比较，确定待优化的静压箱孔板的优化结构；
步骤三：参考待优化的静压箱的结构、形状以及尺寸参数，对比实验数据，对待优化的静压箱孔板作进一步的尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。
进一步的，所述步骤一的具体方法为：根据薄膜生产线所需温度的参数和标准，参考现有薄膜生产线静压箱结构，结合静压箱孔板结构的设计，并通过以下公式构建待优化的静压箱孔板模型：
高度×深度＝静压箱截面面积①；
静压箱截面面积×2.5m/s＝风机风量②；
开孔个数Nij＝(wij/S1+1)×4③；
其中，wij为孔板沿流向的开孔区域宽度，S1为流向孔间距；
孔板孔径dij＝Qij/1875πaμDNijνm(ij)④；
其中，Qij为各组送风量，a为无量纲紊流系数，μ为孔口流量系数，D为孔板到膜片的距离，νm(ij)为吹到膜片上的风速；构建待优化的静压箱孔板模型后，利用AVL-FIRE软件对静压箱的温度场仿真进行分段分析，观察温度的差异。
进一步的，所述步骤一中采用CAD和/或UG软件对待优化的静压箱进行建模，画出气体流道模型图，导入AVL-FIRE软件。
进一步的，所述步骤一中，薄膜生产线所需温度的参数和标准为：温度控制精度为±0.5℃。
进一步的，所述步骤二中，所述模拟实验为：采用中空的铁条模拟静压箱结构，在铁条上表面开设排气孔，所述铁条的一端封闭，另一端开设进风口，通过加热器将空气加热到预设的温度，然后风机将加热空气所形成的热风吹入铁条之中，经过铁条的内部结构转化，使每一个排气孔的气流均匀的投向工作区域，测试各排气孔的温度数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明静压箱孔板的优化设计方法通过对静压箱进行热力学仿真分析，从而对待优化的静压箱孔板的结构优化提供依据，并通过模拟实验测试的实验数据，对待优化的静压箱孔板进行尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。相较于传统静压箱孔板全面布孔的结构，采用本发明优化设计方法得到的静压箱孔板能够保持保持大致相近的温度输出，两侧排气孔与中间排气孔温差的差距有一定的减少，保证了薄膜拉伸时所需要的条件，符合薄膜生产要求。
本发明基于热力学分析具有可靠性基础，通过建模分析与模拟实验相结合，对静压箱孔板进行结构优化，达到温度场稳定的目的，本发明为薄膜在生产线中静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小提供了一定的理论依据和解决办法。
附图说明
图1是本发明双向拉伸薄膜区间静压箱结构图，其中，1-机架、2-静压箱、3-加热器、4-风机。
图2是本发明静压箱工作示意图。
图3是本发明待优化的静压箱孔板模型图。
图4是本发明优化设计后的静压箱孔板模型图。
图5是本发明实验测量位置图。
图6(6a～6j)是本发明待优化的静压箱孔板的热力学分析图。
图7(7a～7j)是本发明优化设计后静压箱孔板的热力学分析图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。需要说明的是，本发明的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本发明保护范围的一种限制。
请参阅图1-图7(7a～7j)，在整个拉伸区中，温度的均匀性极其重要，温度与薄膜的质量直接关联，其温度的均匀稳定性直接影响到了薄膜的厚度、强度等。若出现温差过大或者某处温度过高的情况，将极有可能使得所生产的薄膜成为废品。在薄膜生产系统的横拉区间，如图1，主要由机架1、静压箱2、加热器3、风机4等几部分组成，静压箱2为矩形箱体，朝向薄膜片材的一面设有出风板，出风板上均布空气出口；具体的结构还可以参考中国专利CN205835972U一种双向拉伸膜横拉机同组风箱双侧风机对吹装置，此处不再赘述。本发明主要研究在静压箱处如何实现温度的均匀性。
保温横拉区间的均匀温度场采用的是热气流送风对薄膜片材进行加热。其原理是，通过加热器3将空气加热到一定的温度，然后风机4将加热空气所形成的热风吹入静压箱2之中，经过静压箱2的内部结构转化，使每一个出口获得一个恒温、恒压气流，并均匀的投向工作区域，如图2。静压箱作为拉伸区保温室最重要的位置，它提供了通道让热风从风机4传递到了薄膜上，静压箱2可以在排气孔出可以形成一定温度的均匀的热风。本发明实施例的优化设计参考了现有薄膜生产线静压箱孔板结构图3，通过建模分析与模拟实验得到优化设计后的静压箱孔板模型图4。
一种静压箱孔板的优化设计方法，基于已有静压箱组孔口排布的方式，在AVL-FIRE软件中进行静压箱中的热力学仿真分析，从而对待优化的静压箱孔板的结构优化提供依据；根据热力学仿真分析结果，进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度的实验数据，将实验数据与仿真数据进行比较，并以仿真数据来优化改进静压箱孔板结构；再根据模拟实验测试的实验数据，对待优化的静压箱孔板进行尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。优化设计方法的具体步骤如下：
步骤一：构建待优化的静压箱孔板模型，利用AVL-FIRE软件进行静压箱中的热力学仿真分析；具体步骤为：根据薄膜生产线所需温度的参数和标准，薄膜生产线所需温度的参数和标准为：温度控制精度为±0.5℃，参考现有薄膜生产线静压箱结构，结合静压箱孔板结构的设计，并通过以下公式构建待优化的静压箱孔板模型：
高度×深度＝静压箱截面面积①；
静压箱截面面积×2.5m/s＝风机风量②；
开孔个数Nij＝(wij/S1+1)×4③；
其中，wij为孔板沿流向的开孔区域宽度，S1为流向孔间距；
孔板孔径dij＝Qij/1875πaμDNijνm(ij)④；
其中，Qij为各组送风量，a为无量纲紊流系数，μ为孔口流量系数，D为孔板到膜片的距离，νm(ij)为吹到膜片上的风速；构建待优化的静压箱孔板模型后，利用AVL-FIRE软件对静压箱的温度场仿真进行分段分析，观察温度的差异。
本发明的一个实施例中，待优化的静压箱孔板尺寸长度为400mm，宽度为98mm，高度为50mm，排气孔半径为4mm，排气孔间距为20mm，如表1所示。图3所示为本实施例待优化的静压箱孔板。
表1待优化的静压箱尺寸
采用CAD和/或UG软件对待优化的静压箱进行建模，画图气体流道模型图，利用AVL-FIRE软件对静压箱的温度场仿真进行分段分析，并用CFD技术进行流体分析，观察温度的差异。选择稳态计算，进口采用质量流量来进行设置，给定初始的质量流量，指定温度83.5℃，此处应换算成开氏度356.65K，与此同时还将给定初始的风速为7m/s，对出口设置为静压1000Pa，壁面条件选用温度条件，设置常温。通过软件分析，得到图6，综合几幅温度场分析图来看，开头温度较高，而结尾温度较低，都会存在一定程度的温度差，而第五到第十三列左右则是整个静压箱上温度场分布最为均匀的部位，但其两侧的孔依旧与中间孔存在着一定的温差。
步骤二：在热力学仿真分析的基础上进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度数据与仿真数据进行比较，确定待优化的静压箱孔板的优化结构；
为了确定仿真结果的准确性，在热力学仿真的基础上进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度数据与仿真数据进行比较，并且用此数据来确定静压箱孔板的优化结构；具体的模拟实验为：采用中空的铁条模拟静压箱结构，该中空的铁条的厚度为2mm，长度为400mm，宽度为98mm，高度为50mm；利用电钻在表面上打行列相距为20mm、半径为8mm的孔作为静压箱的排气孔，所述铁条的一端封闭，另一端开设进风口，将铁条放入横拉区间，通过加热器将空气加热到预设的温度，然后风机将加热空气所形成的热风吹入铁条之中，经过铁条的内部结构转化，使每一个出口获得一个恒温、恒压气流，并均匀的投向工作区域，测试各排气孔的温度数据。测试工具选用的是PT100铂电阻温度传感器；选择普通吹风机模拟风机、加热器。图5为各个测量的位置。观察数据发现第四个孔温度偏高与仿真数据相差甚远，不符合规律。查找原因之后进行了实验改进，再次测量。图6(6a～6j)为本发明实施例待优化的静压箱孔板的热力学分析图。
在吹风机出风口及静压箱的入风口制作一个衔接的结构。搭建一个简易的保温室，以减少外界环境对实验的影响。在吹风机与静压箱入口处加装一个小风扇。
得到新的实验数据，见表2。第一列与第三列温度较高，且温差分布无规律。而从第五列开始一直到第十三列可以看到其温度分布较为均匀，稳定在60℃到61℃左右，结合仿真数据看发现符合相应的规律。通过实验发现在十三列之后温度会一定程度的下滑，到最后一列时温度已经下降到57℃左右，与入口温度存在较大的温差。同时根据实验结果静压箱上排气孔每一列的两侧的孔均要比中间两个孔低1℃左右。通过对比实验结果各排气孔的温度与仿真结果所示的温度，发现实验所得出的数据值均比仿真值低，可能由于外界干扰因素过多，但整体分布规律基本保持一致，静压箱的中间位置温度分布最为均匀。
表2修正后实验数据
步骤三：参考待优化的静压箱的结构、形状以及尺寸参数，对比实验数据，对待优化的静压箱孔板作进一步的尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。
请参阅图4，本发明实施例优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小为：在原先的第五列处开始打排气孔，并在第十三列处结束，对每列的中间两个孔按原先一样打直径为8mm的孔，而每列的外侧两个孔则打直径为10mm的孔。图7(7a～7j)是为发明实施例优化设计后静压箱孔板的热力学分析图，通过每一步的静压箱孔板模型表面温度分析的结果可以看出，在第100step处，气流还未进入到静压箱尽头，气流在行进过程中，排气孔能够保持大致相近一致的温度输出，但在第五列以及之后的几列其两侧边缘温度稍低。在第200step处，气流到达尽头处，从图中可以看出，第五列到最后一列边缘温度与中间温度存在一个稍大的误差。从第300step及400step，可以发现两侧与中间温差的差距有一定的减少，但是同时尾列受到的影响变大。从500step一直到最后的1000step，其变化不是很大，最后一列与前面的存在的温差影响略微变小，两侧与中心依旧存在着有温差的区域，但其面积较小，影响不会特别大。总的来说，这样的设计，将中心部位作为静压箱的工作区域，能保证薄膜拉伸时所需要的条件。
通过模拟实验分析以及软件仿真分析，可以清晰看出，导致温度场的不均匀主要是由于入口处与尽头处出现了较大的温差。与此同时在模拟实验中也发现位于每列中间的两个孔温度稍高相比于位于边缘的两个孔。同时，由实验和仿真的双重验证下我们也发现普通静压箱的中间部位其温度分布较为均匀，没有太大的起伏，考虑仅将这个部位作为静压箱的工作区域，以及将其位于两侧的排气孔的尺寸变大以保证两侧孔与中间孔的温度相差不大。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (6)
1.一种静压箱孔板的优化设计方法，其特征在于，基于已有静压箱组孔口排布的方式，在仿真软件中进行静压箱中的热力学仿真分析，从而对待优化的静压箱孔板的结构优化提供依据；根据热力学仿真分析结果，进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度的实验数据，将实验数据与仿真数据进行比较，并以仿真数据来优化改进静压箱孔板结构；再根据模拟实验测试的实验数据，对待优化的静压箱孔板进行尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。
2.根据权利要求1所述的一种静压箱孔板的优化设计方法，其特征在于，优化设计方法的具体步骤如下：
步骤一：构建待优化的静压箱孔板模型，利用AVL-FIRE软件进行静压箱中的热力学仿真分析；
步骤二：在热力学仿真分析的基础上进行模拟实验，测试得到静压箱孔板的各排气孔温度数据与仿真数据进行比较，确定待优化的静压箱孔板的优化结构；
步骤三：参考待优化的静压箱的结构、形状以及尺寸参数，对比实验数据，对待优化的静压箱孔板作进一步的尺寸构建，得到优化后的静压箱孔板的排布和静压箱孔板的孔径大小。
3.根据权利要求2所述的一种静压箱孔板的优化设计方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法为：根据薄膜生产线所需温度的参数和标准，参考现有薄膜生产线静压箱结构，结合静压箱孔板结构的设计，并通过以下公式构建待优化的静压箱孔板模型：
高度×深度＝静压箱截面面积 ①；
静压箱截面面积×2.5m/s＝风机风量 ②；
开孔个数Nij＝(wij/S1+1)×4 ③；
其中，wij为孔板沿流向的开孔区域宽度，S1为流向孔间距；
孔板孔径dij＝Qij/1875πaμDNijνm(ij) ④；
其中，Qij为各组送风量，a为无量纲紊流系数，μ为孔口流量系数，D为孔板到膜片的距离，νm(ij)为吹到膜片上的风速；构建待优化的静压箱孔板模型后，利用AVL-FIRE软件对静压箱的温度场仿真进行分段分析，观察温度的差异。
4.根据权利要求3所述的一种静压箱孔板的优化设计方法，其特征在于：所述步骤一中采用CAD和/或UG软件对待优化的静压箱进行建模，画出气体流道模型图，导入AVL-FIRE软件。
5.根据权利要求3所述的一种静压箱孔板的优化设计方法，其特征在于：所述步骤一中，薄膜生产线所需温度的参数和标准为：温度控制精度为±0.5℃。
6.根据权利要求1所述的一种静压箱孔板的优化设计方法，其特征在于：所述步骤二中，所述模拟实验为：采用中空的铁条模拟静压箱结构，在铁条上表面开设排气孔，所述铁条的一端封闭，另一端开设进风口，通过加热器将空气加热到预设的温度，然后风机将加热空气所形成的热风吹入铁条之中，测试各排气孔的温度数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200117 |