李秋英 邢明杰 倪敬達(dá) 任光業(yè) 李夢(mèng)晗

（1.青島大學(xué)，山東青島，226071；2.江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫，214122；3.青島宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司，山東青島，266101）

隨著梳棉機(jī)產(chǎn)量的不斷提高，梳理過(guò)程中單位時(shí)間產(chǎn)生的短絨、雜質(zhì)增多，如果不能及時(shí)清除，會(huì)發(fā)生堵塞，影響生產(chǎn)效率，降低生條質(zhì)量。濾塵管道是梳棉機(jī)除塵系統(tǒng)的核心部分，除塵管道的形式、走向、管徑大小等設(shè)置都會(huì)影響梳棉機(jī)的吸塵效果，因此對(duì)濾塵管道的氣流特性進(jìn)行研究分析具有重要意義［1］。CFD 即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Computational Fluid Dynamics 的簡(jiǎn)稱(chēng)，該技術(shù)應(yīng)用于紡織機(jī)械領(lǐng)域可大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力［2-4］。本研究通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道氣流進(jìn)行流場(chǎng)、壓力場(chǎng)分析，根據(jù)計(jì)算所得的氣流速度、壓力、風(fēng)量大小和分布情況判斷各管道內(nèi)風(fēng)量風(fēng)壓分布的合理性，結(jié)合梳棉機(jī)梳理理論指出管道流場(chǎng)存在的問(wèn)題，為后續(xù)梳棉機(jī)結(jié)構(gòu)改造提供理論參考。

1 JWF1217型梳棉機(jī)的濾塵管道數(shù)值模擬

為方便計(jì)算，仿真時(shí)對(duì)濾塵管道做以下設(shè)定：不考慮濾塵管道的傳熱；不考慮模型中的圓角、倒角、凸臺(tái)等對(duì)氣流流動(dòng)的影響；不考慮管道中的短絨、塵雜等對(duì)氣流流動(dòng)的影響；將濾塵管道中的氣體視作不可壓縮氣體。

1.1 數(shù)值模擬基本理論

濾塵管道內(nèi)部為不可壓縮、黏性、湍流流體，其體積質(zhì)量和黏度分別為1.225 kg/m3和1.7×10-5Pa·s，氣體運(yùn)動(dòng)方程滿(mǎn)足物理定律，包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，選用壓力-速度耦合算法SIMPLE 和二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）進(jìn)行求解和離散。由于不考慮熱交換，故忽略能量方程。

流體流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)量既不會(huì)產(chǎn)生也不會(huì)消失，即單位時(shí)間內(nèi)流入流體單元體內(nèi)的質(zhì)量與單位時(shí)間內(nèi)流出質(zhì)量相等，符合質(zhì)量守恒定律。具體連續(xù)方程如下。

式中：x、y、z分別代表空間坐標(biāo)系3 個(gè)坐標(biāo)軸的正方向，u、v、w分別代表x、y、z方向的速度。

動(dòng)量守恒定律是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿(mǎn)足的基本定律，可表示為微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，符合牛頓第二定律。具體動(dòng)量方程如下。

式中：Fx、Fy、Fz分別表示單位體積的體積力F在x、y、z方向的分量；μ為動(dòng)力黏度；p為靜壓力；ρ為體積質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型通過(guò)求解兩個(gè)單獨(dú)的運(yùn)輸方程來(lái)確定湍流長(zhǎng)度和時(shí)間尺度，k代表紊流脈動(dòng)動(dòng)能，ε代表紊流脈動(dòng)動(dòng)量耗散率，具體方程如下［5］，其中

k方程為：

ε方程為：

式中：cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.3；為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)；為擴(kuò)散項(xiàng)；為產(chǎn)生項(xiàng)為消失項(xiàng)。

1.2 JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道模型的建立

新型梳棉機(jī)濾塵效果會(huì)影響生條和成紗質(zhì)量。由于梳棉機(jī)設(shè)計(jì)需要，管道支管和吸點(diǎn)較多，管道連接處結(jié)構(gòu)突變會(huì)引起渦流，增加壓力損失，同時(shí)流體從小管徑進(jìn)入大管徑時(shí)發(fā)生突變式分離，產(chǎn)生能量損失，會(huì)導(dǎo)致除塵效率偏低［6］。為減弱管道內(nèi)渦流的產(chǎn)生，JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵主管道拐角處采用大圓弧過(guò)渡，盡可能避免大幅度彎曲；主、支管道連接處采用主管道漸寬結(jié)構(gòu)，以保證管道的穩(wěn)定性和密封性。

為方便對(duì)濾塵管道氣流的計(jì)算，去除管道上不必要的零件及圓角、倒角和凸臺(tái)等特征，最終得到的濾塵管道流體域模型如圖1 所示。

1—棉箱吸點(diǎn)；2—蓋板清潔輥吸點(diǎn)；3—蓋板右后吸點(diǎn)；4—蓋板左后吸點(diǎn)；5—蓋板主動(dòng)軸吸點(diǎn)；6—蓋板飛花吸點(diǎn)；7—后上棉網(wǎng)清潔器吸點(diǎn)；8—后下棉網(wǎng)清潔器吸點(diǎn)；9—刺輥放氣罩吸點(diǎn)；10—刺輥第一落雜區(qū)吸點(diǎn)；11—刺輥第二落雜區(qū)吸點(diǎn)；12—錫林漏底后吸點(diǎn)；13—錫林漏底前吸點(diǎn)；14—大壓輥吸點(diǎn)；15—清潔輥吸點(diǎn)；16—前下棉網(wǎng)清潔器吸點(diǎn)；17—前上棉網(wǎng)清潔器吸點(diǎn)；18—蓋板左前吸點(diǎn)；19—蓋板右前吸點(diǎn)；20—集束器吸點(diǎn)；21—圈條器吸點(diǎn)；22—主管道。圖1 JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道流體域模型示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

本研究模擬環(huán)境大氣壓101 325 Pa，邊界條件設(shè)定如下。壓力入口邊界：各吸風(fēng)口，給定壓力0 Pa。壓力出口邊界：主管道出風(fēng)口，給定壓力為-800 Pa。壁面條件：無(wú)滑移。

采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分并進(jìn)行局部細(xì)化處理。為保證仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)出入口邊界進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分。梳棉機(jī)濾塵管道整體網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)1 611 201 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)566 264 個(gè)，具體網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 JWF1217型梳棉機(jī)濾塵管道網(wǎng)格模型及局部放大圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 速度場(chǎng)分析

梳棉機(jī)濾塵管道整體速度矢量圖如圖3 所示。梳棉機(jī)濾塵管道流線(xiàn)圖及局部放大圖如圖4所示。從圖3 可以看出，棉箱吸點(diǎn)距離主管道吸風(fēng)點(diǎn)最近，故氣流的速度最高，平均速度達(dá)到32 m/s，可以及時(shí)將排到下棉箱前后靜壓箱內(nèi)的短絨和雜質(zhì)吸走。錫林、刺輥、蓋板是梳棉機(jī)主要梳理排雜區(qū)，梳理過(guò)程中產(chǎn)生的棉結(jié)短絨若不及時(shí)清理，容易發(fā)生塞花，影響生條質(zhì)量。圖3 中濾塵管道的主管道拐角處采用大圓弧過(guò)渡，減少氣流和管道碰撞產(chǎn)生的回流，管道內(nèi)氣流流動(dòng)順暢，且沒(méi)有明顯的流動(dòng)分離［7］；濾塵主管道、刺輥落雜區(qū)、蓋板和前后棉網(wǎng)清潔器吸點(diǎn)的風(fēng)速較高，能及時(shí)吸走短絨和塵雜；蓋板右前吸點(diǎn)、大壓輥吸點(diǎn)和錫林漏底后吸點(diǎn)距離主管道較遠(yuǎn)，管道偏長(zhǎng)，風(fēng)速偏低，但由于這些點(diǎn)產(chǎn)生的多為短絨和微雜，風(fēng)速基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 梳棉機(jī)濾塵管道速度矢量圖

圖4 梳棉機(jī)濾塵管道流線(xiàn)圖及局部放大圖

從圖3 和圖4 可以看出，管道轉(zhuǎn)折角小于90°的地方存在微小渦流。在管道發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí)，夾角越小，氣流所受阻力越大，急轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣體分子紊流滯留情況［8］。氣流流動(dòng)不夠順滑，流向不規(guī)律產(chǎn)生小渦流，使得風(fēng)速降低，但主管道內(nèi)的風(fēng)速并無(wú)明顯降低，故此處產(chǎn)生的渦流影響可忽略不計(jì)；管道內(nèi)氣流流線(xiàn)呈螺旋狀，這是由于管道兩側(cè)結(jié)構(gòu)和氣流流量分配不同造成的；從局部放大圖中可以看出，在吸點(diǎn)較多的地方存在小渦流區(qū)，這是因?yàn)闅饬鲝倪h(yuǎn)端吸點(diǎn)流向主管道時(shí)，與近端吸點(diǎn)氣流發(fā)生碰撞，又因近端吸口氣流流速較大，導(dǎo)致遠(yuǎn)端氣流回轉(zhuǎn)形成渦流；由于渦流靠近壓力入口處，故對(duì)吸塵效果的影響不大。

為更好了解濾塵管道內(nèi)部氣流流動(dòng)情況，在距y方向75 mm 處做截面，觀察xz平面的速度矢量，如圖5 所示。梳棉機(jī)前部除雜需求小于后部，由圖5 可看出，濾塵管道內(nèi)的風(fēng)速在15 m/s～30 m/s 之間，且主管道兩側(cè)氣流分布較為合理，前部氣流流動(dòng)與后部相比較為平緩，符合實(shí)際吸風(fēng)需求。濾塵主管道與支管道交接處，為保證兩者之間連接的穩(wěn)定性和密封性，主管道尾端設(shè)計(jì)為漸寬型結(jié)構(gòu)，近壁面的氣流運(yùn)動(dòng)到此處產(chǎn)生突然擴(kuò)張流動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，與管道壁發(fā)生碰撞，流線(xiàn)軌跡改變，產(chǎn)生局部漩渦。從局部放大圖中看，漸寬處氣流產(chǎn)生的漩渦對(duì)管道內(nèi)風(fēng)速的影響不明顯，故此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖5 梳棉機(jī)濾塵管道y 方向截面矢量圖

圖5中，主管道內(nèi)出現(xiàn)渦流，為探究主管道內(nèi)渦流情況，在x方向做截面，如圖6 所示。圖6 中從左到右分別為x方向-150 mm、0 mm、100 mm、200 mm 處的速度云圖。由圖6 可看出，管道內(nèi)風(fēng)速均勻，僅在壓力出口處和管道拐角處出現(xiàn)微量渦流，造成少量能量損失。

圖6 梳棉機(jī)濾塵管道x 方向截面速度云圖

2.2 壓力場(chǎng)分析

JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道的壓力云圖如圖7 所示?？梢钥闯觯?dāng)氣流從管道流過(guò)時(shí)，氣流之間摩擦消耗能量，產(chǎn)生壓降；在經(jīng)過(guò)拐角、彎管、三通管、吸口結(jié)構(gòu)等管道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的地方時(shí)，由于氣流流動(dòng)方向和速度發(fā)生變化而形成渦流，產(chǎn)生局部能量消耗，造成局部壓降［9-10］。濾塵主管道出口處負(fù)壓800 Pa 吸風(fēng)，主管道的負(fù)壓低于支管道，且管道內(nèi)壓降過(guò)渡平滑，無(wú)明顯的壓力驟變，負(fù)壓利用率高，能量損失小，有利于吸走塵雜。濾塵分支管道最遠(yuǎn)端，如蓋板右后吸點(diǎn)、蓋板左前吸點(diǎn)、錫林漏底后吸點(diǎn)、大壓輥吸點(diǎn)等，由于偏離主管道吸風(fēng)口，且管道長(zhǎng)，負(fù)壓值偏低，特別是管道較長(zhǎng)的大壓輥吸點(diǎn)，吸口平均壓力不足-20 Pa，但此處主要吸的為短絨和微雜，負(fù)壓能達(dá)到吸風(fēng)要求。梳棉機(jī)濾塵管道xz截面的湍流動(dòng)能圖如圖8 所示?？梢钥闯觯麄€(gè)濾塵管道的流動(dòng)性較好，管道的前部幾乎沒(méi)有湍流耗散，后部由于風(fēng)量分配點(diǎn)多，氣流流動(dòng)較為紊亂，在主管道拐角處和氣流出口處出現(xiàn)局部湍流耗散，這與上述速度場(chǎng)分析相互映證。

圖7 梳棉機(jī)濾塵管道壓力云圖

圖8 梳棉機(jī)濾塵管道湍流動(dòng)能圖

2.3 定量分析

以上均是基于圖像所做的流場(chǎng)特性分析，下面將基于具體數(shù)值做流場(chǎng)定量分析。各吸點(diǎn)靜壓、風(fēng)速、風(fēng)量的計(jì)算值如表1 所示。需要說(shuō)明的是，各吸點(diǎn)的靜壓、風(fēng)速等參數(shù)的計(jì)算值是基于圖1 所示的吸點(diǎn)截面上的平均值。由于在模擬時(shí)未考慮濾塵管道內(nèi)的短絨塵雜對(duì)氣流的影響，所以模擬所得的風(fēng)量與實(shí)際情況相比應(yīng)該會(huì)高，但風(fēng)量分配比例無(wú)差別。

表1 JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道各吸點(diǎn)靜壓、風(fēng)速和風(fēng)量的計(jì)算值

主管道吸點(diǎn)給定-800 Pa 時(shí)，出風(fēng)口處風(fēng)量7 783 m3/h，風(fēng)速24.68 m/s，各吸點(diǎn)的風(fēng)量總和7 592 m3/h，模擬所得數(shù)值為無(wú)雜質(zhì)影響的理想空氣狀態(tài)且無(wú)壁面摩擦損失，其總吸風(fēng)量偏高，但整體風(fēng)量風(fēng)壓分布比較合理。從吸風(fēng)量上看，棉箱吸點(diǎn)吸風(fēng)量最大，占總吸風(fēng)量的11.26%，這與前面分析符合。后上、下棉網(wǎng)清潔器的吸風(fēng)量比較平均，均占總風(fēng)量的4.7%左右，且后上棉網(wǎng)清潔器吸點(diǎn)較后下吸點(diǎn)稍高，符合實(shí)際吸風(fēng)需求。

梳棉機(jī)在梳理過(guò)程中不同位置的吸塵要求不同，若吸風(fēng)口風(fēng)量風(fēng)壓過(guò)小，則不能有效去除短絨和塵雜；相反，風(fēng)量風(fēng)壓過(guò)大則會(huì)將好的纖維吸走，造成浪費(fèi)。對(duì)于梳棉機(jī)，其除雜作用主要由刺輥部分和錫林蓋板部分來(lái)完成，因此保證刺輥落雜區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)量和前后蓋板雜質(zhì)吸點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量是非常重要的。第一、二落雜區(qū)的吸風(fēng)量分別為679 m3/h、623 m3/h，占總吸風(fēng)量的8.94% 和8.21%。由于第一落雜區(qū)的吸口截面偏大，導(dǎo)致風(fēng)速較低，風(fēng)速7.69 m/s，不利于短絨雜質(zhì)的吸入，在不降低風(fēng)量的情況下提高吸點(diǎn)風(fēng)速有利于提高吸塵效果［11］。蓋板處吸點(diǎn)較多，除了遠(yuǎn)端蓋板右前吸點(diǎn)風(fēng)壓風(fēng)速小，其余吸點(diǎn)風(fēng)量范圍在202 m3/h～487 m3/h，風(fēng)速較大，在10 m/s～23 m/s之間，這是因?yàn)樯w板吸點(diǎn)距離主管道負(fù)壓吸風(fēng)點(diǎn)較近，風(fēng)量風(fēng)壓風(fēng)速都比較大，能有效進(jìn)行吸塵除雜工作。

3 結(jié)語(yǔ)

梳棉機(jī)濾塵管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)吸塵系統(tǒng)的能量消耗、工作能力和除塵效率有較大影響。通過(guò)對(duì)JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和二階迎風(fēng)格式對(duì)其進(jìn)行離散求解，并對(duì)計(jì)算所得的速度矢量圖、速度流線(xiàn)圖、壓力云圖、湍流動(dòng)能圖進(jìn)行定性和定量分析，結(jié)果表明：該管道結(jié)構(gòu)順滑，整體氣流流動(dòng)性好，總體與實(shí)際梳棉機(jī)吸風(fēng)要求相符。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在結(jié)構(gòu)限制滿(mǎn)足要求的前提下，濾塵管道拐角處采用大圓弧過(guò)渡設(shè)計(jì)，保證氣流場(chǎng)分布均勻流暢，盡可能減弱管道內(nèi)出現(xiàn)的渦流；主管道與支管道連接處采用主管漸寬結(jié)構(gòu)，保證管道穩(wěn)定性與密封性的同時(shí)，避免了對(duì)管道流速的影響。

在氣流分配方面，管道內(nèi)壓力分布合理，僅在管道壁面、拐角及管道連接處出現(xiàn)小渦流，能量消耗較少，負(fù)壓利用率高。蓋板處和刺輥落雜區(qū)等吸雜主要區(qū)域所分配的風(fēng)量高，能有效吸走較大的雜質(zhì)和短絨；錫林漏底后吸點(diǎn)、大壓輥吸點(diǎn)和圈條器吸點(diǎn)等主要吸短絨和微塵的地方，所分配的風(fēng)量較低，保證吸走短絨的同時(shí)不會(huì)將好的纖維吸走；梳棉機(jī)后部分配的風(fēng)量與前部相比高，避免了梳理過(guò)程中生成的雜質(zhì)短絨不能被及時(shí)吸走而導(dǎo)致的堵塞現(xiàn)象，有利于穩(wěn)定生產(chǎn)效率。