实例探究 | 涂布机模头CFD仿真分析
随着涂布工艺向高速和宽幅方向发展，模头设计面临CFD、结构强度、材料耐磨、轻量化设计等多种挑战。
和CFD相关的问题主要包括：
如果浆料性质发生改变，是否涂布质量仍满足要求？
温度的改变或不均匀对涂布质量有何影响？
涂布过程中，涂层是否会混入气泡？
下唇口区域，浆料是否会泄漏导致污染和浪费？
模头的变形会对涂布质量有多大影响？
本文将带着这些问题对涂布模头进行具体的仿真分析。
涂布机模头CFD仿真分析
稳态涂布分析
01 仿真工况
对某型号的模头进行稳态涂布仿真；
设计要求：
- 涂布湿厚分布直接决定了模头的设计是否合格，要求湿厚分布越均匀越好；
- 模头的微小变形对连续涂布的质量稳定性影响极大，要求流场压力越小越好；工艺要求：
- 液体介质：锂电池负极浆料；
- 涂布速度：20m/min
- 涂布宽度：600mm
- 液膜厚度：139um
模头的CAD模型
02 浆料属性
浆料为非牛顿流体，需要通过流变仪对粘度和应变率的关系进行测量；
对测量数据进行拟合得到粘度属性；
浆料参数：
- 主要成分：水、石墨颗粒；
- 添加剂：CMC、SBR、Super P；
- 流体类型：剪切变稀型非牛顿流体；
- 密度：1350 kg/m^3
- 粘度方程：y=9.8317*(x^-0.426)
03 仿真分析流程
模型简化：
- 提取流体域空间；
- 模型对称处理；网格划分：
- 腔体 & 入口管路的四面体单元；
- 垫片 & 唇口区域的棱柱单元；计算设置：
- 流体设置；
- 流动模型；
- 入口 & 出口设置；
- 壁面设置；结果整理：
- 压力分布；
- 速度分布；
- 湿厚分布。
04 网格划分
由于流域的对称性，且雷诺数在100以下，可使用对称模型；
根据工艺要求，涂布湿厚139um，唇口刀距160um；
垫片和唇口区域采用六面体和三棱柱单元，厚度方向铺10层单元；
单元总数约200万，最大四面体扭曲度0.846；
唇口区域网格细节
05 仿真设置
重要仿真设置：
- 由于雷诺数较小，采用层流模型；
- 浆料粘度采用指数型表达式；
- 箔材走速20m/min，将其赋予为箔材壁面速度；
06 仿真结果
重要仿真设置：
- 流场中最大压力38kPa，最大速度0.396m/s；
速度 & 流线示意图
从湿厚分布曲线可知：
- 湿厚的分布趋势为中间厚两侧薄；
- 厚度均一性0.0998；
涂布机模头CFD仿真分析
漏料 & 气泡卷入分析
01 仿真工况
模头设计，质量、环保等要求决定了：
- 涂布工艺要求唇口区域尽可能少的卷入空气，严禁出现大气泡；
- 浆料在涂布之前会进行真空抽气处理；
- 下唇口区域需要设计合适的唇口尺寸以保证不会出现浆料滴漏形成的原料浪费；基于前述的模型，进行漏料和气泡卷入的问题仿真；
取对称面靠近唇口段的部分，并加入唇口区域斜面的空气域；
对流体域划分网格，在箔材表面附近区域进行网格细化以捕捉界面变化；
单元总数约一千。
02 仿真设置
计算模型采用VOF多相流模型，主相为浆料，副相为空气；
考虑表面张力的影响，接触角30°；
初始状态，流域被空气占据。
03 仿真结果
从浆料和气体的分布状况可知：
- 浆料涂布过程中，由于箔材的运动而在箔材表面区域存在少量小气泡；
- 上模的下表面区域存在一个较大的气泡；
- 下唇口区域不存在漏料问题，浆料可稳定附着在下唇口区域。
