噴射式絞紗染色機(jī)分流器均勻性的研究與優(yōu)化*

□ 張 海亮 □ 鄭 吉 □ 駱 歡

1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī) 械工程學(xué)院 杭 州 3 10014

2.浙江工業(yè)大學(xué) 特 種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭 州 3 10014

噴射式絞紗染色機(jī)是目前大部分印染企業(yè)在對(duì)絞紗進(jìn)行染色時(shí)所采用的設(shè)備，由染槽、多孔噴管、分流裝置、傳動(dòng)裝置、循環(huán)泵等部分組成（如圖1所示）。染色時(shí)，將絞紗分別套在并列的多孔噴管上，用泵將染液從染槽送入多孔噴管中，染液從噴管的細(xì)孔噴淋于絞紗上。與此同時(shí)，由于回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)噴管一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可使套掛在噴管上的絞紗漸漸轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到均勻染色的目的。

缸差問題是間歇法染色的一大通病。為此，設(shè)備制造企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)了大容量的多噴管絞紗染色機(jī)，可以達(dá)到80～100管，以求大幅度地降低缸差的發(fā)生概率，甚至在一定程度上消除缸差。然而，新開發(fā)的大容量噴射式絞紗染色機(jī)，雖然克服了缸差問題，但是大容量的多噴管染色機(jī)會(huì)導(dǎo)致各噴管的流量分配不均，從而造成管差問題，成為該類大容量染色機(jī)需要重點(diǎn)克服和解決的一個(gè)專題［1］。

在染色機(jī)染色過程中，分流器對(duì)染液分配的均勻性直接決定了多孔噴管噴出染液的均勻性，從而影響紗線與染液的接觸率，使紗線產(chǎn)生色花、色差等質(zhì)量問題，并且降低生產(chǎn)效率，影響企業(yè)效益。因此，對(duì)影響分流器均勻性的因素進(jìn)行研究，并對(duì)結(jié)構(gòu)存在的問題進(jìn)行改進(jìn)是十分有必要的。

▲圖1 噴射式絞紗染色機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

1 多孔管流量分配理論

在給排水、化工、電力、通風(fēng)等領(lǐng)域中，往往需要一種均勻分布?xì)怏w或液體的裝置，它由一根總管和與總管側(cè)面連接的一排或若干排支管組成。支管可以是具有相當(dāng)長(zhǎng)度的管道或噴嘴，也可以僅僅是小孔，總管的橫截面可以是圓形、方形、橢圓形等。這種總流被分流為多束分流的流動(dòng)過程稱之為分支流。多孔管就是典型的將主流經(jīng)側(cè)壁小孔沿軸向流道均勻地流出的分配裝置［2］。所以染色機(jī)分流器的流量分配問題屬于多孔管流量分配領(lǐng)域。

在等直徑主管上等間距開設(shè)等孔徑的支管，流體流經(jīng)主管的沿程壓強(qiáng)變化如圖2所示。從圖2可見，流體流經(jīng)等直徑的多孔管，其壓強(qiáng)的一漲一落不能回復(fù)到原來的值，因而流體流經(jīng)沿程各支管的流率亦隨之改變［2］。

▲圖2 多孔管沿程壓強(qiáng)變化

在多孔管流或分支流內(nèi)，流體在流動(dòng)過程中質(zhì)量不斷減少，管內(nèi)壓力變化受摩擦和動(dòng)量交換的雙重影響。主流流體由于側(cè)孔出流而流速減小，流速的減小使流體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，導(dǎo)致流體沿流動(dòng)方向的壓力升高；另一方面，管壁摩擦阻力將使流體沿流道產(chǎn)生壓力損失，導(dǎo)致壓力降低。所以，如果適當(dāng)?shù)卣{(diào)整流動(dòng)參數(shù)或分支管結(jié)構(gòu)，使流道內(nèi)由于側(cè)孔出流產(chǎn)生的壓力升高和由于摩擦阻力產(chǎn)生的壓力降低相平衡，那么沿管軸線得到均勻的靜壓分布是可能的［3］。

影響多孔管流動(dòng)機(jī)理的因素有很多，主要包括：主管管長(zhǎng)、主管截面形狀、首段壓強(qiáng)、流體性質(zhì)、孔徑、開孔方式、孔間距和管道粗糙度等［4］。在設(shè)計(jì)中，為不影響染色機(jī)的其它結(jié)構(gòu)，采用改變主管截面形狀來達(dá)到出口流量均勻分配的目的。筆者采用Fluent軟件對(duì)變截面主管內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，進(jìn)而指導(dǎo)其截面參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2 對(duì)分流器進(jìn)行模擬及分析

筆者針對(duì)現(xiàn)有的80管大容量雙層噴射式絞紗染色機(jī)所存在的分流器流量分配不均勻的問題進(jìn)行研究，采用Fluent軟件對(duì)分流器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到出口質(zhì)量流量的分布圖。

2.1 流場(chǎng)模型的建立

將80管大容量噴射式絞紗染色機(jī)分為兩層，上層分流器有38個(gè)出口，連接有38根多孔噴管；下層分流器有42個(gè)出口，連接有42根多孔噴管。筆者主要研究上層分流器在給定流量情況下的流量分配均勻性問題，下層分流器與其情況相似。

因?yàn)榉至髌鞒隹诘膲簭?qiáng)大小未知，但實(shí)際情況下外界對(duì)出口的壓強(qiáng)一定，且出口的壓強(qiáng)都相等，所以在對(duì)出口設(shè)置壓力出口邊界條件時(shí)均設(shè)為大氣壓，可以用來模擬實(shí)際狀況下管道內(nèi)部的流動(dòng)情況及出口流量的分配狀況。

圖3為現(xiàn)有的噴射式絞紗染色機(jī)分流器設(shè)計(jì)圖，入口管徑410mm，壁厚3mm，出口管徑60mm，壁厚3mm，主管道為變截面的矩形管道，尺寸如圖3所示，高110mm，壁厚2.5mm。

選取分流器內(nèi)部的流體區(qū)域作為研究對(duì)象，建立模型，如圖4所示。幾何模型中各部分尺寸和位置同實(shí)際分流器完全相同，模型以結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格為主，部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為40多萬個(gè)。數(shù)值計(jì)算按照三維k-ε湍流模型進(jìn)行求解，視分流器內(nèi)流體為常溫、常壓水，密度和黏度為常數(shù)。入口邊界條件為速度入口，速度大小經(jīng)實(shí)際流量換算后為1.5 m/s；出口邊界條件為壓力出口，大小均設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。入口湍流強(qiáng)度為3.03%，水力直徑為404 mm。

2.2 出口的質(zhì)量流量分布及原因分析

圖5為原分流器38個(gè)出口對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量分布圖，從圖中可以看出，中間的20個(gè)出口流量分布比較均勻，再往兩側(cè)，流量先降低后增大，增大的斜率逐漸變大。

為了對(duì)影響出口流量分布不均的原因進(jìn)一步進(jìn)行分析，先對(duì)等截面主管內(nèi)流體的流動(dòng)情況及出口的流量進(jìn)行模擬和分析。選取主管為等截面矩形管道，尺寸為 13 120 mm×380 mm×110 mm（長(zhǎng)×寬×高），壁厚 2.5 mm，其它尺寸與原分流器相同，以分流器內(nèi)部的流體區(qū)域作為研究對(duì)象，并建立模型，如圖6所示。

流體模型的參數(shù)設(shè)置同上，經(jīng)計(jì)算，得到等截面分流器38個(gè)出口對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量分布圖，如圖7所示。從圖中可以看出，出口的流量從中間位置向兩側(cè)逐漸增大，并且斜率逐漸變小。為了研究出口流量與壓力和流速的關(guān)系，給出主管中間（避免邊界層影響）一條線上的壓強(qiáng)和流速分布圖，如圖8、9所示。

由圖8、9可以看出，主管內(nèi)流體由于從側(cè)孔不斷流出而流速減小，流速的減小使流體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，導(dǎo)致流體沿流動(dòng)方向的壓力升高；另一方面，管壁摩擦阻力將使流體沿流道產(chǎn)生壓力損失，導(dǎo)致壓力降低。但在流體流動(dòng)方向總的壓強(qiáng)升高，從而導(dǎo)致流量向兩側(cè)逐漸變大。

▲圖3 現(xiàn)有噴射式絞紗染色機(jī)分流器

▲圖4 原分流器的流體區(qū)域模型

▲圖5 出口質(zhì)量流量分布圖

▲圖6等截面分流器的流體區(qū)域模型

▲圖7 等截面分流器出口質(zhì)量流量分布圖

▲圖8 流速分布圖

▲圖9 靜壓分布圖

從原分流器的結(jié)構(gòu)可以看出，原來在設(shè)計(jì)時(shí)其實(shí)也注意到了這個(gè)問題，故設(shè)計(jì)成截面向兩側(cè)逐漸減小，從而使主管中的流體向兩側(cè)流動(dòng)的流速加快，來達(dá)到減緩靜壓能的升高，從模擬結(jié)果來看，雖然在一定程度上減小了分配的不均勻性，但效果仍然不理想，原因可能是對(duì)流速的加快控制得不太好，即截面的形狀設(shè)計(jì)得不太合理。

3 分流器的分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了使分流器達(dá)到分流均勻性的要求，并使分流器結(jié)構(gòu)的改變不影響原來染色機(jī)的其余結(jié)構(gòu)，故與原設(shè)計(jì)一樣，通過改變未開有小孔的側(cè)面的形狀來達(dá)到使分流器均勻分流的目的。

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，該側(cè)面其實(shí)有幾塊斜面組成，斜面的斜率直接影響主管的截面形狀，從而影響到了出口的質(zhì)量流量分布。

3.1 斜面傾角對(duì)流量分配的影響

為研究斜面的傾角對(duì)流量分配的影響，新建模型如圖 10 所示，分別對(duì)∠α 取 1.5°、2°、2.5°、2.8°、3°進(jìn)行模擬，其余參數(shù)與原分流器一樣。

通過模擬計(jì)算，從圖11中可以看到在不同傾角情況下出口質(zhì)量流量的變化趨勢(shì)，可以總結(jié)為當(dāng)傾角增大時(shí)，中間出口的流量增大，而向兩側(cè)的流量減小。當(dāng)傾角增大到一定程度后（在本模型中為2.5°），傾角發(fā)生較小的改變都會(huì)引起流量發(fā)生較大的變化。分析其原因：因?yàn)閮A角增大后，越靠近兩側(cè)主管截面積越小，主管內(nèi)流體的流速增大，從而使因動(dòng)量的減小而升高的靜壓能減小，這種趨勢(shì)在兩側(cè)比較明顯，故兩側(cè)的流量減?。欢鴥蓚?cè)由于截面積較小，阻力變大，使中間主管的流量增大，因此中間位置出口的流量也有變大的趨勢(shì)。當(dāng)傾角增大到一定程度后，由于傾角的微小變化都會(huì)使得兩側(cè)主管截面產(chǎn)生較大的變化率，故當(dāng)傾角發(fā)生微小的變化時(shí)流量都會(huì)有較大的變化。

原設(shè)計(jì)分流器主管長(zhǎng)13 120 mm，單邊長(zhǎng)度為6 560 mm，除第9管與第10管、第29管與第30管間距為780 mm外，其余管間距均為300 mm。由圖11可以看出，由于出口流量的變化率不同，若采用單一斜率的斜面，難以將出口的質(zhì)量流量分配均勻。

▲圖10 傾角影響模型

▲圖11 不同傾角下出口的質(zhì)量流量

▲圖12 新設(shè)計(jì)的分流器

3.2 分流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使分流器的出口流量達(dá)到均勻性的要求，對(duì)需要優(yōu)化的兩邊側(cè)面均用5塊不同斜率的斜面組成，對(duì)于第9管與第10管、第29管與第30管間距較大的情況，因?yàn)樵诹鲃?dòng)過程中距離較遠(yuǎn)，管壁摩阻將使流體沿主管產(chǎn)生的壓力損失增大，故第9管、30管流量突然變小，因此在這幾個(gè)管之間采用斜率較小的斜面組成。

圖12是新設(shè)計(jì)的分流器結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，為了使出口的流量達(dá)到均勻分配的目的，兩邊的側(cè)面均由 5 塊不同斜率的斜面 （AB、BC、CD、DE、EF）組成，建立平面直角坐標(biāo)系如圖12所示，則這幾塊斜面的斜率由 A、B、C、D、E、F 6 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)決定。

下面通過選取10組不同的坐標(biāo)值（見表1），來對(duì)不同斜率下出口的流量進(jìn)行模擬，結(jié)果經(jīng)過對(duì)比后，選取流量分布最均勻的一組作為最終優(yōu)化結(jié)果。

經(jīng)過對(duì)10組數(shù)據(jù)的模擬計(jì)算和對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行綜合比較之后，最終選取第10組的坐標(biāo)值作為最終的優(yōu)化結(jié)果，在這樣的截面形狀下，出口的質(zhì)量流量分布如圖13所示。

表1 10組不同的坐標(biāo)值

▲圖13 第10組坐標(biāo)下出口的質(zhì)量流量

3.3 分流器配液性能評(píng)定

（1）均勻度。衡量分流器分液均勻性的主要指標(biāo)是各孔分配液體的均勻性，均勻度η可定義為流體通過孔的最小和最大流量之比［5］：

式中：Qmin為壓力最小處孔口的出流量，m3/s；Qmax為壓力最大處孔口的出流量，m3/s。

根據(jù)原設(shè)計(jì)和改進(jìn)后分流器的質(zhì)量流量，分別得到它們的配液均勻度為：η原=0.83，η改=0.97，配液均勻性提高了16.9%。

（2）不均勻度。衡量分流器分液均勻性的另外一項(xiàng)主要指標(biāo)是各孔分配液體的不均勻度，不均勻度Mf定義為：

式中：Qi為第 i個(gè)出口的體積流量，m3/s；Qi為 i個(gè)出口的平均體積流量，m3/s；N為出口的個(gè)數(shù)。

Mf越大，流量分配越不均勻［6］。根據(jù)原設(shè)計(jì)和改進(jìn)后分流器出口質(zhì)量流量的數(shù)據(jù)，分別得到它們的配液不均勻度為：Mf原=0.044 584，Mf改=0.007 34，配液不均勻性降低了83.5%。

通過分流器的均勻性能評(píng)定，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后分流器的均勻性與原分流器相比，出口流量的均勻性得到了較大的提升，并且僅僅改變了側(cè)面的形狀，并不影響原染色機(jī)其他部分的結(jié)構(gòu)布局，加工簡(jiǎn)單，因此認(rèn)為結(jié)構(gòu)改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)現(xiàn)有的80管大容量雙層噴射式絞紗染色機(jī)所存在的分流器流量不均的問題進(jìn)行研究，采用Fluent軟件計(jì)算得到出口的質(zhì)量流量分布圖。

（2）結(jié)合多孔管流量分配理論對(duì)原分流器出口流量分配不均的原因進(jìn)行分析，通過新建模型來研究斜率對(duì)出口流量分配的影響，歸納為：當(dāng)傾角增大時(shí)，中間出口的流量增大，而向兩側(cè)的流量減小。當(dāng)傾角增大到一定程度后（在本模型中為2.5°），傾角發(fā)生較小的改變都會(huì)引起流量發(fā)生較大的變化。

（3）為了使分流器的出口流量達(dá)到均勻性的要求，對(duì)需要優(yōu)化的兩邊側(cè)面均用5塊不同斜率的斜面組成，取10組不同的坐標(biāo)值來改變斜面的斜率，模擬計(jì)算出口質(zhì)量流量分布圖，通過比較，選取最優(yōu)的一組坐標(biāo)值作為最終的優(yōu)化結(jié)果。

（4）采用不同的公式對(duì)分流器的均勻性能進(jìn)行評(píng)定，得到配液均勻性提高了16.9%，配液不均勻性降低了83.5%，出口流量的均勻性得到了較大的提升，并且僅僅改變了側(cè)面的形狀，并不影響原染色機(jī)其它部分的結(jié)構(gòu)布局，加工簡(jiǎn)單，因此認(rèn)為結(jié)構(gòu)改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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