底刀轮流场的FLUENT软件仿真分析

摘 要：为了研究纸张分条机中底刀轮工作时的流场状况，首先利用ANSYS Workbench建模，然后再利用Fluent计算模拟，最后再CFD-Post中查看结果。结果发现其底刀轮工作时周围的“风”产生的原因是多方面的。

关键词：分条机；底刀轮；流场分析；ANSYS Fluent

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.204

0 引言

分条机采用的是分条切割，可将产品同时分切成多条，其生产效率非常高。与传统的分离方式相比而言，尽管有些昂贵并且安装不便，但是它的切割速率非常高，切割边缘还能够达到最好的质量，不会有毛边和锯齿。

分条切割机在工作时，由上下两个切割的刀轮相互接触，挤压原料，使之在刀轮口产生剪应力，从而切断原料。如同剪刀一样，两个刀轮的刀口处同样很锋利。但是，在实际生产中会发现，刀口附近在刀轮高速运转的情况下，周围会产生明显的“风”，而“风”会影响原料的剪切，使剪切后的边缘呈现毛边或者锯齿状，甚至会产生歪斜，使产品报废。为了避免“风”的出现，研究底刀轮在高速运转下的周围流场情况是极具意义的。

1 底刀轮周围流场建模

由于底刀轮形状结构非常简单，无需对其几何形状做任何的相似简化。但是在流场搭建过程中，要注意流场区域的大小，不能过小，过小会导致观察到的结果与真实情况有出入，其次边界形状也要设计合理。本文中的底刀轮的运动为旋转运动，故流场采用圆柱形。由于本文只做流场的模拟分析，不涉及零件的固体应变分析，所以刀轮的零件部分在模型中需要挖去。同时，又因为流场区域较大，对计算机负担较大，为了减小计算机的负担，采用周期边界的方法减少流场模型，本文采用1/4区域进行建模。

2 模型网格划分和计算参数设定

在完成几何建模后，退出Geometry，进入Mesh功能。由于流场为三维状态，故网格采用四面体网格，因形状较为规则，只有部分区域网格划分细密，网格数量共计282069个。

导入Fluent后，首先进行基本设置，计算的流体模型选用k-omega中的SST模型。只所以选用SST，是由于底刀轮在工作时周围仅有空气这一中流体，且空气的密度小，粘度低，而刀轮所做的运动为旋转运动。由于刀轮处于旋转状态，故采用相对位移原理，将流场设置为旋转流场，刀轮不动，转速为3200rpm，周期边界属性设置为周期。调整残值监测中的absolute criteria数值为0.0001，然后开始计算。

3 流场分析结果对比

计算结束后，退出Fluent设置，进入CFD-Post查看Y果，在刀刃处和轮缘处分别做一个平面，在平面上显示压力结果图。

从结果图中可以看出，在刀口附近的轮缘处有范围较大的压力变化，而在刀刃处压力变化范围较小。这说明刀轮在高速运转中的压力变化有可能是因为刀刃结构的凸起，凸起的刀刃与轮缘的直径数值不同，在旋转时线速度不一样，可能导致周围空气流场产生风。

当然，以上结论只是一个推测，并不能说明风的真正来源，为了验证以上结论，还需要做一个转盘实验模拟。

为了检验以上结论，本次模拟依旧采用Fluent软件，流体、计算模型等参数不变，只改变流场的几何模型。新建集合模型，以底刀轮的刀刃面为转盘，设置单侧的流场，流场形状为圆柱形，网格数量为291411。然后开始计算，计算结果如图4所示。

在volume velocity图中可以看出，在转盘附近处有明显的速度变化，但是变化范围比较小。从velocity streamline中可以看出，气流在转盘形成漩涡状。这说明，底刀轮在旋转时，刀刃外侧面也会有气流产生，该气流也可能是产生风的一个原因。

4 结论

在模拟试验之前，并不了解风的产生原因，猜测是单一原因造成。在模拟实验之后，虽然证实了猜测的原因，但是同时还发现了其他原因，所以产生风的原因不唯一，既有刀刃与轮缘的直径差距导致线速度不同造成风，也有刀刃侧面与空气接触的部分因高速旋转而产生风，是否还有其他原因产生风，还有待进一步的模拟实验验证。

参考文献：

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