基于CFD的溢流染色機(jī)J形儲(chǔ)布槽流場(chǎng)分析

張孟杰張志欣任泉遠(yuǎn)昃向博

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南元首針織股份有限公司，濟(jì)南 250033）

基于CFD的溢流染色機(jī)J形儲(chǔ)布槽流場(chǎng)分析

張孟杰1張志欣1任泉遠(yuǎn)2昃向博1

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南元首針織股份有限公司，濟(jì)南 250033）

建立溢流染色機(jī)的數(shù)字樣機(jī)，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，針對(duì)J形儲(chǔ)布槽進(jìn)行流場(chǎng)模擬仿真分析。結(jié)果表明：J形儲(chǔ)布槽入口壓強(qiáng)、流速分布較為均勻穩(wěn)定；折彎處上邊沿壓強(qiáng)低、流速快、溫度較低，下邊沿壓強(qiáng)高、流速低、溫度較高，同時(shí)為溢流染色機(jī)的J形儲(chǔ)布槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論參考。

溢流染色機(jī) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) J形儲(chǔ)布槽 流場(chǎng)分析

溢流染色機(jī)一般由機(jī)體、噴嘴、提布羅拉、J形儲(chǔ)布槽、集水槽、掉布自停機(jī)構(gòu)、擺布機(jī)構(gòu)、計(jì)量槽、循環(huán)泵、熱交換器、自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成，其中，J形儲(chǔ)布槽是溢流染色機(jī)中儲(chǔ)存坯布或織物的重要功能部件，其主要作用是靠重力和水流沖力或擠壓推動(dòng)織物前移[1]。J形儲(chǔ)布槽結(jié)構(gòu)和應(yīng)用功能是保證滿足織物在J形儲(chǔ)布槽中折皺少、運(yùn)行流暢、摩擦小等要求的重要影響因素，因此，對(duì)J形儲(chǔ)布槽內(nèi)部流場(chǎng)分析研究十分必要。

隨著CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，很多研究人員將其應(yīng)用到溢流染色機(jī)的研究中。張朝陽[2-3]等人運(yùn)用CFD軟件Fluent研究了圓噴嘴內(nèi)流場(chǎng)對(duì)氣鼓現(xiàn)象的影響；楊利利[4]等人運(yùn)用CFD軟件Fluent對(duì)圓噴嘴內(nèi)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了相關(guān)研究。本文針對(duì)J形儲(chǔ)布槽，利用CFD仿真軟件研究其內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，為此類溢流染色機(jī)的J形儲(chǔ)布槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

1 幾何模型

為了探討J形儲(chǔ)布槽內(nèi)部流場(chǎng)分布，對(duì)溢流染色機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，圖1為溢流染色機(jī)流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化三維幾何模型，主要流通區(qū)域包括噴嘴、擺布機(jī)構(gòu)（橫擺布機(jī)構(gòu)和縱擺布機(jī)構(gòu)）、J形儲(chǔ)布槽等。噴嘴與擺布機(jī)構(gòu)之間通過彎管連接，染液流通噴嘴以及J形儲(chǔ)布槽變化較多，其流場(chǎng)分布變化往往對(duì)染色機(jī)的工作性能有一定影響。該溢流染色機(jī)選用J形儲(chǔ)布槽，即J形儲(chǔ)布槽底部不含直線段，其儲(chǔ)布槽底部幾何形狀為圓弧。

圖1 溢流染色機(jī)流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

2 流場(chǎng)仿真前處理

2.1 數(shù)學(xué)模型

溢流染色機(jī)內(nèi)部染液流動(dòng)過程受物理守恒定律制約，其流體流動(dòng)和傳熱的基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[5]。流體為不可壓縮流動(dòng)，密度為常數(shù)，其能量守恒方程[6]為：

式中，p為流體密度(矢量)；v—為流體速度矢量；T為流體溫度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；CP為流體比熱容；St為粘性耗散項(xiàng)。

2.2 邊界條件設(shè)置

采用前處理軟件GAMBIT對(duì)三維幾何模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格以及邊界條件設(shè)定，圖2為溢流染色機(jī)模擬計(jì)算網(wǎng)格圖，總計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為200萬。本文選取VOF多相流模型為溢流染色機(jī)流道內(nèi)氣液兩相流分析模型，控制方程采用三維、黏性、不可壓縮的雷諾平均k-方程，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)的k-模型[7]。在模擬仿真時(shí)，溶液入口邊界條件為速度入口，設(shè)置參數(shù)為熱流體溫度、速度、湍動(dòng)能和湍流耗散率，氣相入口邊界條件為速度入口，設(shè)置參數(shù)為空氣溫度、湍流強(qiáng)度、入口尺寸，出口邊界件為outflow，殼體為導(dǎo)熱壁面，其導(dǎo)熱系數(shù)取50W/(m.c)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)量數(shù)據(jù)，模擬仿真過程中染液的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖2 溢流染色機(jī)模擬計(jì)算網(wǎng)格圖

圖3 J形儲(chǔ)布槽中間截面壓強(qiáng)分布云圖

圖4 J形儲(chǔ)布槽中間截面速度分布云圖

表1 染液物理性質(zhì)參數(shù)

3 流場(chǎng)仿真后處理

為了更好地獲得J形儲(chǔ)布槽內(nèi)部的氣液兩相流流場(chǎng)分布情況，在后處理過程中將噴嘴、擺布結(jié)構(gòu)、機(jī)體外殼等進(jìn)行隱藏處理，通過Surface選項(xiàng)創(chuàng)建J形儲(chǔ)布槽中間截面，從而通過中間截面觀測(cè)J形儲(chǔ)布槽內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況。

3.1 壓強(qiáng)分布情況

圖3中（b）圖為染液進(jìn)口速度為6.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽中間截面的壓強(qiáng)分布云圖，從結(jié)果可得，在J形儲(chǔ)布槽的折彎上邊沿處的壓強(qiáng)為負(fù)值，而在折彎的下邊沿處壓強(qiáng)為正值，且壓強(qiáng)較高；在J形儲(chǔ)布槽的入口處及向下未到折彎的地方壓強(qiáng)分布較為均勻，在將要到達(dá)折彎的地方壓強(qiáng)開始有所變化；沿著J形儲(chǔ)布槽的上邊沿壓強(qiáng)開始減小，沿著J形儲(chǔ)布槽的下邊沿壓強(qiáng)開始增大，且在折彎處J形儲(chǔ)布槽的壓強(qiáng)梯度變化較大。

圖3中（a）圖為染液進(jìn)口速度為5.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽中間截面的壓強(qiáng)分布云圖，從結(jié)果可得，J形儲(chǔ)布槽內(nèi)整體壓強(qiáng)分布也無明顯變化，但相對(duì)于染液進(jìn)口速度為6.5m/ s時(shí)J形儲(chǔ)布槽內(nèi)壓強(qiáng)分布情況，J形儲(chǔ)布槽壓強(qiáng)分布在接近J形儲(chǔ)布槽入口處即開始變化，有了明顯的壓力梯度變化，但就整體的壓強(qiáng)分布情況而言，壓強(qiáng)梯度變化不明顯。

圖3中（c）圖為染液進(jìn)口速度為7.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽中間截面的壓強(qiáng)分布云圖，從結(jié)果可得，J形儲(chǔ)布槽內(nèi)整體壓強(qiáng)分布無明顯變化，但相對(duì)于染液進(jìn)口速度為6.5m/s時(shí)J形儲(chǔ)布槽內(nèi)壓強(qiáng)分布情況，J形儲(chǔ)布槽折彎上邊沿處的壓強(qiáng)略微減小，而在折彎的下邊沿處壓強(qiáng)略微增大，即J形儲(chǔ)布槽內(nèi)的壓強(qiáng)梯度變化增大；且在折彎處上邊沿壓強(qiáng)負(fù)值分布區(qū)域變小，下邊沿壓強(qiáng)最大值分布區(qū)域也減小，壓強(qiáng)梯度變化更加明顯。

3.2 速度分布情況

圖4中（b）圖為染液進(jìn)口速度為6.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽中間截面的速度分布云圖，從結(jié)果可得，從J形儲(chǔ)布槽的入口往下的豎直部分，染液以穩(wěn)定的速度向下流動(dòng)，且流動(dòng)的方向穩(wěn)定；在J形儲(chǔ)布槽折彎處，染液開始隨著J形儲(chǔ)布槽結(jié)構(gòu)形狀的改變?cè)谒俣群土飨蛏隙及l(fā)生了變化；在J形儲(chǔ)布槽的上邊沿，染液的流速迅速加快且方向隨著上邊沿迅速變化，在J形儲(chǔ)布槽的中心位置，染液仍然按照與入口時(shí)基本相同的速度進(jìn)行流動(dòng)，只是方向發(fā)生變化，在J形儲(chǔ)布槽的下邊沿，染液的速度下降，且方向也隨著下邊沿發(fā)生變化；整體看來，在J形儲(chǔ)布槽的折彎處，由其上邊沿到下邊沿染液的速度由大變小，幅度從9.32m/s到3.99m/s逐漸變小；因J形儲(chǔ)布槽的出口高度小于入口高度，因此，染液在J形儲(chǔ)布槽的出口處仍然保持較高的速度，但出口的速度要比折彎處的速度小，并且在出口處染液有向J形儲(chǔ)布槽下邊沿流動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4中（a）、（c）圖為染液進(jìn)口速度分別為5.5m/s、7.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽中間截面的速度分布云圖，從結(jié)果可得，兩速度下J形儲(chǔ)布槽內(nèi)染液的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布同染液流速為6.5m/s時(shí)染液流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比無明顯變化，但當(dāng)染液速度為5.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽內(nèi)染液的速度梯度變化相對(duì)較小，而當(dāng)染液速度為7.5m/s時(shí)，J形儲(chǔ)布槽內(nèi)染液的速度梯度較大。相同之處是在J形儲(chǔ)布槽折彎下邊沿流速都較小，在折彎處的上邊沿流速較大。這也使織物有在下邊沿堆積的趨勢(shì)，即同時(shí)進(jìn)入J形儲(chǔ)布槽的織物會(huì)在不同的時(shí)間流出J形儲(chǔ)布槽。

3.3 溫度分布情況

圖5為溢流染色機(jī)中間截面溫度分布云圖，從結(jié)果可得，噴嘴處的溫度相對(duì)其他結(jié)構(gòu)部件溫度較高，且溫度梯度也較大，在遠(yuǎn)離噴嘴的區(qū)域，溫度相對(duì)噴嘴較低，且溫度梯度也較小。主要是因?yàn)闄C(jī)體內(nèi)部空氣的流動(dòng)，機(jī)體壁面與外界低溫環(huán)境的熱量交換。擺布機(jī)構(gòu)在染色過程中的擺動(dòng)產(chǎn)生了少量熱量，擺布機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)同時(shí)加劇了機(jī)體內(nèi)空氣的流動(dòng)，因此產(chǎn)熱與散熱基本抵消，而J形儲(chǔ)布槽在工作過程中沒有運(yùn)動(dòng)，也沒有產(chǎn)生熱量，其溫度是染液傳遞到J形儲(chǔ)布槽的熱量導(dǎo)致的，相對(duì)噴嘴與擺布機(jī)構(gòu)，其溫度相對(duì)較低。

圖5 染色機(jī)中間截面溫度分布云圖

從上述仿真結(jié)果可得，J形儲(chǔ)布槽底部壓力較高，流速較低，溫度較高，J形儲(chǔ)布槽頂部壓力較低，流速較高，溫度較低。這種溫度分布情況可能是因?yàn)镴形儲(chǔ)布槽底部的較高壓力使流速降低，導(dǎo)致織物在J形儲(chǔ)布槽底部堆積，從而產(chǎn)生熱量集中，這部分熱量又傳遞到機(jī)體外殼的底面，導(dǎo)致底面溫度較高。而在J形儲(chǔ)布槽的頂部低壓力使流速變大，織物快速向前運(yùn)行并帶走部分熱，從而溫度相對(duì)較低。

4 結(jié)語

J形儲(chǔ)布槽入口壓強(qiáng)分布較為均勻穩(wěn)定J形儲(chǔ)布槽折彎處壓強(qiáng)變化較為明顯，從上邊沿到下邊沿壓強(qiáng)值逐漸增大，隨著染液流速的增加，壓強(qiáng)梯度變化越明顯。

J形儲(chǔ)布槽入口流速分布較為均勻穩(wěn)定J形儲(chǔ)布槽折彎處流速變化較為明顯，從上邊沿到下邊沿流速逐漸減小，隨著染液流速的增加，速度梯度變化越為明顯。

溢流染色機(jī)流道結(jié)構(gòu)中，噴嘴內(nèi)部溫度較高，J形儲(chǔ)布槽溫度較低；J形儲(chǔ)布槽底部溫度較高，頂部溫度較低。

J形儲(chǔ)布槽內(nèi)部壓強(qiáng)、流速分布情況與溫度場(chǎng)分布相互對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了流場(chǎng)仿真分析的可靠性。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的不斷提高及數(shù)字模型的進(jìn)一步完善，其仿真結(jié)果與實(shí)際工況之間的誤差將進(jìn)一步縮小。

[1]弓志峰.流體染色機(jī)的五大動(dòng)力系統(tǒng)[J].針織工業(yè)，2005，（11）：46.

[2]張朝陽，昃向博，楊學(xué)峰，等.圓噴嘴內(nèi)流場(chǎng)對(duì)氣鼓現(xiàn)象的影響與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，（1）：98-102.

[3]昃向博，張朝陽，楊學(xué)峰，等.溢流染色機(jī)圓噴嘴流場(chǎng)建模與渦流場(chǎng)仿真分析[J].紡織學(xué)報(bào)，2011，（1）：129-134.

[4]楊利利，昃向博，宋強(qiáng)，等.溢流染色機(jī)噴嘴熱分布與結(jié)構(gòu)關(guān)系分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2012，（6）：1-3.

[5]周俊杰，徐國(guó)權(quán)，張華俊.FLUENT工程技術(shù)與實(shí)例分析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010．

[6]付磊，曾燚林，唐克倫，等.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J].壓力容器，2012，（2）：36-41.

[7]李鵬飛，徐敏一，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M].北京：人民郵電出版社，2011.

Field Analysis of J-shaped Storage Cloth Tank of Overflow Dyeing Machine Based on CFD

ZHANG Mengjie1,ZHANG Zhixin1,REN Quanyuan2,ZE Xiangbo1
(1.School of Mechanical Engineering, University of Ji nan, Jinan 250022；2.Jinan Yuanshou Knitting Co., Ltd.,Jinan 250033)

The digital prototype of overflow dyeing machine is established.The field simulation analysis of J-shaped storage cloth tank is use d with the CFD simulation software.The results showed that:The velocity distribution and pressure distribution of J-sha ped storage cloth tank inlet is uniform and stable;the character of upper edge of the bend area is low pres sure,fast flow rate,low temperature,and the character of under edge of the bend area is high pres sure, low flow rate,high tem perature. It provides theoretical references for J-sha ped storage cloth tank st ructure design and optimization of overflow dyeing machine.

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山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013GGX10321）。