基于CFD的梳棉機(jī)濾塵管道的分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王永巖　楊蕾　曾春雷

摘要：采用三維不可壓流體的Kepsilon湍流模型，基于計算流體動力學(xué)（CFD）方法，對梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道進(jìn)行氣流場分析。結(jié)果表明：原管道內(nèi)存在一些湍流，增加了壓力損失，造成除塵效率偏低。為此對該管道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，并做了進(jìn)一步的數(shù)值模擬分析。經(jīng)過對改進(jìn)前后管道的CFD模擬結(jié)果的分析對比，總結(jié)出改進(jìn)后的管道氣流場分布更加合理。

關(guān)鍵詞：梳棉機(jī)；濾塵吸塑管道；氣流場；CFD；結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

中圖分類號：TS112.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）02-0072-04

Abstract：With Kepsilon turbulence model of threedimensional incompressible fluid and based on computational fluid dynamics （CFD） method， this paper conducts airflow field analysis on superior posterior dust filtration pipe of carding machine. The result shows that some turbulence exists in the original pipeline， which increases pressure loss and causes low dedusting efficiency. Therefore， this study conducts structural improvement design of the pipe， conducts further numerical simulation analysis and summarizes that the improved pipe has more reasonable airflow field distribution through analysis and comparison on CFD simulated result of pipes before and after improvement.

Key words：carding machine； dust filtration pipe； airflow field； CFD； design of structural improvement

目前國內(nèi)外梳棉機(jī)的研發(fā)水平層次都比較高，生產(chǎn)出來的梳棉機(jī)能夠滿足高端產(chǎn)量的要求，但在梳棉機(jī)的某些配套結(jié)構(gòu)中還存在一些影響生條質(zhì)量的問題[1]。梳棉機(jī)都配備有吸塵裝置，梳棉機(jī)在梳理過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)、短絨若不能及時徹底的被吸塵管道清除，會對生條質(zhì)量產(chǎn)生影響。該問題不僅降低了梳棉機(jī)的市場競爭力，也給紡織企業(yè)帶來不必要的成本消耗。而以往梳棉機(jī)氣流研究以刺輥處、錫林與道夫間的為多[23]，因此有必要對梳棉機(jī)吸塵系統(tǒng)進(jìn)行氣流場特性的研究[4]。為解決這一問題，以青島紡織機(jī)械廠生產(chǎn)的FB1235型梳棉機(jī)為研究對象，運(yùn)用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，對FB1235型梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道的氣流場特性進(jìn)行模擬分析及管道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，加強(qiáng)對氣流的控制與利用。

1試驗

試驗儀器：青島紡織機(jī)械廠FB1235型梳棉機(jī)、皮托管測壓儀、鉆孔鉆頭。

試驗過程：首先用鉆孔鉆頭在FB1235型梳棉機(jī)的后上濾塵吸塑管道上鉆孔，確定吸點的位置，保證吸點在氣流流動平穩(wěn)的直管段。然后，啟動FB1235型梳棉機(jī)，穩(wěn)定運(yùn)行180 min達(dá)到正常工況。將風(fēng)壓皮托管測試端接在吸點位置，測量出吸點的壓力和風(fēng)速，測量10次取其平均值。測量結(jié)果如表1所示。

圖2中顯示，管道內(nèi)壓力出口的負(fù)壓急劇衰減，最低負(fù)壓值為-451 Pa，負(fù)壓從入口到達(dá)出口后約損失了一半。管道彎曲處的壓力值與實際試驗測得的管道彎曲處的壓力值-850 Pa比較近似，證明了圖2壓力云圖中的壓力變化情況與實際濾塵吸塑管道中的氣流場壓力變化趨勢相吻合，驗證了CFD模擬的可靠性。后上濾塵吸塑管道的彎角處負(fù)壓衰減的較嚴(yán)重，該部分結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

原梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道的改進(jìn)前速度變化矢量圖和湍流變化云圖如圖3和圖4所示。圖3表明，原梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道內(nèi)氣流場的流線分布紊亂，尤其在管道彎曲處流速較大。由伯努利方程可知，梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道內(nèi)動能項增加會使壓力能降低。由此可以推出，彎曲處流速增大會導(dǎo)致負(fù)壓急劇損失，造成負(fù)壓浪費(fèi)。由圖4顯示，管道彎曲處形成了明顯的湍流，而湍流會引起局部的流動損失，使得壓力出口處負(fù)壓降低，不利于有效地吸除棉層內(nèi)的棉結(jié)短絨，影響生條質(zhì)量。

3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的CFD模擬及結(jié)果分析

3.1后上濾塵吸塑管道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由對原梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道的CFD分析可知，流動損失在很大程度上是由于較大尺度的湍流引起的。為此對該梳棉機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)原則是：在梳棉機(jī)濾塵吸塑管道安裝布置允許的空間內(nèi)最大程度地使管道結(jié)構(gòu)平順，避免大幅度的彎曲，從而保證管道內(nèi)氣流場分布均勻流暢，避免湍流的產(chǎn)生。

將梳棉機(jī)管道彎曲處的角度調(diào)整為140°左右，增大彎曲處的曲率半徑，實現(xiàn)彎曲處管道的結(jié)構(gòu)平順過度。將改進(jìn)后的梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道使用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，生成79 945個單元，63 087節(jié)點。改進(jìn)后的后上濾塵吸塑管道模型如圖5所示。

3.2結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的CFD模擬

將結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道三維模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行CFD模擬分析，設(shè)定模型入口條件不變，模型出口為壓力出口。對改進(jìn)后的濾塵管道的湍流情況（圖6）與改進(jìn)前（圖4）進(jìn)行對比分析。

從改進(jìn)前后的濾塵吸塑管道的湍流云圖對比可以看到，改進(jìn)后的管道內(nèi)湍流明顯減少，氣流場湍動能k減小，相對于原管道的湍動能k約降低了一個數(shù)量級，從而降低了因為湍流而引起的能量耗散。

在結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的管道中任意選取中間截面，對其速度、壓力進(jìn)行分析。圖7和圖8是改進(jìn)后的濾塵吸塑管道的速度矢量圖和壓力云圖。

圖7顯示，梳棉機(jī)后上濾塵吸塑管道改進(jìn)后，管道內(nèi)部氣流的流線分布更加流暢，無明顯的流動分離，避免了湍流的產(chǎn)生。圖8顯示，負(fù)壓從進(jìn)口到出口的衰減較原濾塵吸塑管道變慢，不存在負(fù)壓急劇迅速下降的現(xiàn)象，而到壓力出口處的負(fù)壓比原管道出口處約提高-100 Pa，增加了負(fù)壓的利用率，有利于提高梳棉機(jī)濾塵吸塑管道的吸塵能力。

4結(jié)論

a）對濾塵后上濾塵吸塑管道進(jìn)行CFD模擬分析，結(jié)果表明，CFD模擬的氣流場與實際濾塵管道的氣流場變化趨勢相吻合；原梳棉機(jī)后上吸塑管道內(nèi)的結(jié)構(gòu)突變會產(chǎn)生湍流，浪費(fèi)負(fù)壓，引起局部的流動損失。

b）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的管道流線分布流暢，避免了湍流的產(chǎn)生。有利于減小壓力損失和能量消耗，可以有效地提高梳棉機(jī)濾塵吸塑管道的吸塵能力。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：唐志榮）