王曉維，汪虎明，高 杰，錢付平，夏 強

（1.安徽工業(yè)大學，安徽馬鞍山 243002；2.江蘇精亞集團有限公司，江蘇無錫 214426；3.徐州天虹智能紡紗有限公司，江蘇徐州 221299）

0 引言

由于棉紡織企業(yè)普遍采用自動化程度較高的生產(chǎn)工廠，設備功率密度高達每平方米幾百瓦，且車間內(nèi)的溫濕度隨室外氣候變化明顯，易導致紡織車間的熱濕環(huán)境較差［1］。由于空氣的溫濕度與纖維的性能，如強度、導電性、回潮率等之間有著密切的關系，故紡織工藝對空氣的溫濕度要求很高，紡織廠空氣調節(jié)尤為重要［2］。合理的氣流組織同時能夠排除室內(nèi)外各種環(huán)境因素的干擾，使生產(chǎn)車間保持一定要求的環(huán)境空氣參數(shù)，適應和滿足紡織纖維在加工過程中對溫濕度的特殊敏感性，以保證各工序生產(chǎn)過程的正常進行，提高生產(chǎn)質量和設備利用率，保護職工健康［3］。由于車間的機器發(fā)熱引起的自然對流和人的熱羽流，在對工作區(qū)進行微環(huán)境控制時需要考慮混合對流的流動特征［4］。為提高生產(chǎn)自動化水平，很多廠家采用細絡聯(lián)結構，即在細紗機和自動絡筒機之間增加一個聯(lián)接系統(tǒng)，主要功能是將經(jīng)細紗自動落紗裝置落下的管紗自動運輸?shù)阶詣咏j筒機進行絡紗，并將空管自動運回到細紗機［5］，但細紗工序和絡筒工序所需濕度環(huán)境不同，為滿足需求，應通過優(yōu)化送風口結構來營造合理的氣流組織。

顏蘇芊等［6］曾通過數(shù)值模擬和試驗研究相結合的方法對紡織廠車間氣流組織的溫度場、速度場及PMV-PPD進行研究和分析，其結果與測試結果基本吻合，可為CFD技術在指導實際工程中的應用提供依據(jù)和參考。王海［7］通過模擬細紗車間上送側回和上送下回的2種送回風方式進行對比和分析，發(fā)現(xiàn)上送下回的方式更加合理。針對具有細絡聯(lián)的紡紗車間，為達到工藝生產(chǎn)要求的空氣環(huán)境，需要通過改進送風口結構來控制氣流分布。本文結合實際應用，采取一種復合式混流送風口［8］，并利用CFD軟件Airpak模擬不同送風口結構下車間的溫濕度及風速，分析不同氣流組織下的溫濕度變化趨勢，從而確定最優(yōu)送風口結構。

1 物理模型

本文研究對象為某紡織廠具有細絡聯(lián)的紡紗車間的空調系統(tǒng)。由于空間過大，考慮到計算工作量，故本研究的物理模型選擇了車間內(nèi)的典型區(qū)域，在絡筒機上方16 m的導流板上截取了4 m，創(chuàng)建10 m×6 m×3.5 m的空間，包括2臺細紗機、2臺絡筒機、12個回風口、2個送風口。采用上送下回的氣流組織，回風口采用條縫形風口，嵌裝于地面。送風口結構的條形導流板和導風板角度根據(jù)現(xiàn)場機器位置而定，依據(jù)圖紙可得，角度設定如圖1所示，整流格柵通孔布置方式如圖2所示。構造物理模型如圖3，4所示。

圖1 導流板角度示意

圖2 整流格柵示意

圖3 物理模型

圖4 送風口結構

由于在細紗工序中，纖維應控制在放濕狀態(tài)，相對濕度要求為55%～60%；在絡筒工序中應保證纖維的充分吸濕，相對濕度要求為60%～70%［9］。故需要通過控制送風方向及送風量來提供不同工藝所需的環(huán)境條件。另外，機器間的車弄是工人操作區(qū)域，送風氣流應形成以車弄為主要送風區(qū)域，下降氣流為主體的氣流趨勢，這樣既能提供適宜的溫濕度條件又可抑制粉塵在工作區(qū)的擴散提高工作環(huán)境的空氣質量。

2 數(shù)學模型

本研究的求解模型采用室內(nèi)零方程湍流模型，其由CHEN等在1998年提出，于2001年被Fluent公司采用并在Airpak中采用，該模型需要求解的方程少，因此所需計算機存儲空間小，計算速度比標準k-ε 模型快10倍［10］。這個模型可以較為理想的預測自然通風、強制對流、混合通風及置換通風的室內(nèi)空氣流動模型，在國際暖通空調領域內(nèi)得到廣泛應用。

2.1 控制方程

室內(nèi)空氣熱濕交換滿足質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，室內(nèi)空氣湍流流動的控制微分方程通式［11］表示為：

式中 t ——時間，s；

ρ ——流體密度，kg/m3；

φ—— 流動的速度、焓（溫度）、組分等物理量；

u —— 速度矢量在x坐標軸上的速度分量，m/s；

S ——廣義源項。

室內(nèi)零方程模型給出的湍流黏度 μt的表達式為［12-17］：

式中 C0——經(jīng)驗常數(shù)，C0=0.038 74；

V ——局部速度的最大值，m/s；

dmin——與壁面的間距最小值，m。

在邊界上計算傳熱是利用一個對流傳熱系數(shù)：

式中 h ——對流傳熱系數(shù)；

μeff——有效黏度；

Preff——有效普朗特數(shù)；

cp——流體比熱；

Δxj——鄰近墻的網(wǎng)格間距；

μ ——流體黏度。

2.2 邊界條件

本次模擬對象為2臺絡筒機和2臺細紗機附近工作區(qū)域，其中細紗機的發(fā)熱量為18 200 W，絡筒機的發(fā)熱量為13 500 W。車間初始環(huán)境溫度為27 ℃，相對濕度為70%。設置送風口風速為v=2 m/s，送風溫度24 ℃，相對濕度為95%；回風口為負壓150 Pa出流；設置四周墻體為無厚度、無流速、絕熱的邊界。

2.3 網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分情況如圖5所示，網(wǎng)格類型為六面體結構化網(wǎng)格，對細紗機、絡筒機、送風口、回風口、整流格柵及導流板等處的網(wǎng)格進行局部加密。

圖5 網(wǎng)格劃分示意（X=-1.6 m處）

3 模型驗證

本文以2014年熊亞飛對紡織車間復合式混流送風口的風速的模擬及試驗［15］為驗證對象，進行了驗證對比，復合式混流送風口模型及局部放大如圖6所示。

圖6 復合式混流送風口模型及局部放大圖

房間尺寸為10 m×8 m×6.3 m，本次模擬對象僅針對風口，分別模擬喉口風速為2，3 m/s時的風口處的速度場［15］，與文獻［15］中采用的標準k-ε兩方程模型不同，本文采用室內(nèi)零方程模型，將2種湍流模型的模擬結果及試驗測試結果進行對比。試驗測點如圖7所示，試驗測量的各點風速值與對應模擬結果見圖8。室內(nèi)零方程湍流模型模擬結果的風口出流速度如圖9所示，與標準兩方程模型的速度分布趨勢大致相同。

圖7 試驗測點

圖8 湍流模型與實驗值的測點速度

圖9 風口出流速度矢量

由對比結果可知：室內(nèi)零方程模型的模擬結果與兩方程的結果基本吻合，且走勢一致。各測點的模擬值與試驗測試值最大差值不超過0.8 m/s，平均誤差為10.38%，模擬結果誤差較小。由此證明室內(nèi)零方程湍流模型和計算方法的選擇及相關參數(shù)的求解計算是正確可靠的。

4 結果分析與試驗驗證

在驗證了所提出的CFD的數(shù)學模型合理性的基礎上，選取整流格柵的孔徑D分別為10，20，30，32 mm（開孔率依據(jù)沖孔設備不導致板材變形的壓力而定）。分別對其進行數(shù)值計算，進而分析各溫度、相對濕度及風速分布情況，確定整流格柵的最佳孔徑。

4.1 溫度分布

由圖10可知，不同整流格柵孔徑下的車間溫度場的差別主要在其分布的均勻性：當孔徑從10增大到30 mm時，風量分布逐漸合理，溫度場更均勻，這是由于孔徑的逐漸增大，通過整流格柵流向兩側導流板和折返的風量減??；孔徑為32 mm時，68%的風量通過整流格柵下送，兩側導流板的導風量偏少，導致細紗機區(qū)域的溫度較高。

圖10 車間X=-1.6 m處溫度分布云圖

4.2 相對濕度分布

車間Y=1.8 m處（粗紗、細紗的布置高度，即細紗機與絡筒機的主要工作高度）相對濕度分布如圖11所示?？讖綖?0 mm時，絡筒機周圍的空氣相對濕度不到57%，且細紗機周圍區(qū)域相對濕度為63%以上，不符工藝要求。隨孔徑逐漸增大至30 mm時，隨著絡筒區(qū)域送風量的增加，絡筒區(qū)平均相對濕度為62.1%，細紗區(qū)平均相對濕度為54.1%，基本滿足工藝需求?？讖綖?2 mm時，絡筒區(qū)域的相對濕度雖滿足要求但細紗區(qū)域平均相對濕度為62.7%，不利于生產(chǎn)。

圖11 車間Y=1.8 m處相對濕度分布云圖

4.3 氣流速度分布

由圖12可知，當孔徑為10 mm時，絡筒區(qū)域送風量少導致風速為0.72 m/s左右時，細紗區(qū)域內(nèi)局部出現(xiàn)較高速度，其原因有：（1）機器散熱導致的上升氣流與送風口氣流相撞形成的；（2）流經(jīng)導流板風量大，導致導流板出流速度大，易形成渦旋。隨著孔徑增大至30 mm，氣流速度分布逐漸均勻，工作區(qū)域平均風速為1.44 m/s，孔徑為32 mm時，機器周圍局部風速高達2.67 m/s，易造成紗線雜質飄浮在空中，對健康造成影響。

圖12 車間Y=1.8m處氣流速度分布云圖

4.4 車間實際運行測試與模擬對比分析

根據(jù)以上的模擬結果，確定具有D=30 mm的整流格柵的送風口結構為最優(yōu)結構，將其加工并應用于車間。在車間內(nèi)選取與所建模型對應區(qū)域，選擇5個送風口，分別在送風口下方的絡筒機和細紗機處布置兩個測點，距離地面1.5，2.5 m。在兩絡筒間距中點、細紗機與絡筒間距中點處，分別距地面1.5，2.5 m高度，沿絡筒機長度方向均勻布置5個測點，共40個測點。用泰仕TES-1341熱線式風速計測試各個測點的溫濕度。

測試時，環(huán)境溫度為車間實際運行的空調系統(tǒng)送風速度v=2.0 m/s，溫度為22 ℃，相對濕度為90%，回風溫度為26 ℃，對D=30 mm的模型進行相同的邊界條件設置后模擬，將車間實際運行的測試結果與模擬結果進行對比如圖13所示。

圖13 溫度、相對濕度的實測值與模擬值對比

從圖13可以看出，車間內(nèi)的實測溫度與模擬溫度均在25～28℃之間，實測相對濕度與模擬相對濕度均在64%～72%之間，且趨勢相同，說明模擬結果與車間實際情況基本吻合。實測溫度與模擬溫度最大差值為1.2 ℃，平均差值為0.4 ℃，最大相對誤差為4.6%，平均相對誤差為1.35%。相對濕度的實測與模擬最大差值為2.6%，且模擬相對濕度值普遍比實測相對濕度值要高，可能是細紗機和絡筒機模型簡化成實體，對空氣流動產(chǎn)生影響。

5 結論

（1）當送風口結構的條形導流板和導風板角度一定時，改變整流格柵的孔徑大小，發(fā)現(xiàn)隨著孔徑從10 mm增大至32 mm時，流經(jīng)導流板和整流格柵的風量分布逐漸合理，機器上升氣流對氣流分布的影響降低，溫度場更加均勻，機器周圍區(qū)域的相對濕度幾乎滿足各自工藝需求，但機器周圍因為風量增加，風速偏高。

（2）就滿足不同紡紗工序的溫濕度條件而言，孔徑為30 mm時的送風口結構最佳。為了驗證模擬結果的正確性，對模擬車間進行了實際測試并對之前整體模擬進行對比分析，結果表明了Airpak軟件模擬車間狀況與實際測試基本吻合，證明此送風口結構的可應用性。