基于CFD 的JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道氣流分析

李秋英 邢明杰 倪敬達(dá) 任光業(yè) 李夢晗

（1.青島大學(xué)，山東青島，226071；2.江南大學(xué)，江蘇無錫，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，梳理過程中單位時間產(chǎn)生的短絨、雜質(zhì)增多，如果不能及時清除，會發(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)置都會影響梳棉機(jī)的吸塵效果，因此對濾塵管道的氣流特性進(jìn)行研究分析具有重要意義［1］。CFD 即計算流體動力學(xué)Computational Fluid Dynamics 的簡稱，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)的競爭力［2-4］。本研究通過數(shù)值模擬方法對JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道氣流進(jìn)行流場、壓力場分析，根據(jù)計算所得的氣流速度、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存在的問題，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

為方便計算，仿真時對濾塵管道做以下設(shè)定：不考慮濾塵管道的傳熱；不考慮模型中的圓角、倒角、凸臺等對氣流流動的影響；不考慮管道中的短絨、塵雜等對氣流流動的影響；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)動方程滿足物理定律，包括連續(xù)方程、動量方程和能量方程。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。

流體流動時，其質(zhì)量既不會產(chǎn)生也不會消失，即單位時間內(nèi)流入流體單元體內(nèi)的質(zhì)量與單位時間內(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 個坐標(biāo)軸的正方向，u、v、w分別代表x、y、z方向的速度。

動量守恒定律是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律，可表示為微元體中流體的動量對時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湍流模型通過求解兩個單獨的運(yùn)輸方程來確定湍流長度和時間尺度，k代表紊流脈動動能，ε代表紊流脈動動量耗散率，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)項為對流項；為擴(kuò)散項；為產(chǎn)生項為消失項。

1.2 JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道模型的建立

新型梳棉機(jī)濾塵效果會影響生條和成紗質(zhì)量。由于梳棉機(jī)設(shè)計需要，管道支管和吸點較多，管道連接處結(jié)構(gòu)突變會引起渦流，增加壓力損失，同時流體從小管徑進(jìn)入大管徑時發(fā)生突變式分離，產(chǎn)生能量損失，會導(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。

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

1—棉箱吸點；2—蓋板清潔輥吸點；3—蓋板右后吸點；4—蓋板左后吸點；5—蓋板主動軸吸點；6—蓋板飛花吸點；7—后上棉網(wǎng)清潔器吸點；8—后下棉網(wǎng)清潔器吸點；9—刺輥放氣罩吸點；10—刺輥第一落雜區(qū)吸點；11—刺輥第二落雜區(qū)吸點；12—錫林漏底后吸點；13—錫林漏底前吸點；14—大壓輥吸點；15—清潔輥吸點；16—前下棉網(wǎng)清潔器吸點；17—前上棉網(wǎng)清潔器吸點；18—蓋板左前吸點；19—蓋板右前吸點；20—集束器吸點；21—圈條器吸點；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，網(wǎng)格節(jié)點566 264 個，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)濾塵管道流線圖及局部放大圖如圖4所示。從圖3 可以看出，棉箱吸點距離主管道吸風(fēng)點最近，故氣流的速度最高，平均速度達(dá)到32 m/s，可以及時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)，梳理過程中產(chǎn)生的棉結(jié)短絨若不及時清理，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渡，減少氣流和管道碰撞產(chǎn)生的回流，管道內(nèi)氣流流動順暢，且沒有明顯的流動分離［7］；濾塵主管道、刺輥落雜區(qū)、蓋板和前后棉網(wǎng)清潔器吸點的風(fēng)速較高，能及時吸走短絨和塵雜；蓋板右前吸點、大壓輥吸點和錫林漏底后吸點距離主管道較遠(yuǎn)，管道偏長，風(fēng)速偏低，但由于這些點產(chǎn)生的多為短絨和微雜，風(fēng)速基本達(dá)到設(shè)計要求。

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，夾角越小，氣流所受阻力越大，急轉(zhuǎn)彎時會出現(xiàn)氣體分子紊流滯留情況［8］。氣流流動不夠順滑，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)速并無明顯降低，故此處產(chǎn)生的渦流影響可忽略不計；管道內(nèi)氣流流線呈螺旋狀，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，在吸點較多的地方存在小渦流區(qū)，這是因為氣流從遠(yuǎn)端吸點流向主管道時，與近端吸點氣流發(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，前部氣流流動與后部相比較為平緩，符合實際吸風(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)計為漸寬型結(jié)構(gòu)，近壁面的氣流運(yùn)動到此處產(chǎn)生突然擴(kuò)張流動和轉(zhuǎn)彎，與管道壁發(fā)生碰撞，流線軌跡改變，產(chǎn)生局部漩渦。從局部放大圖中看，漸寬處氣流產(chǎn)生的漩渦對管道內(nèi)風(fēng)速的影響不明顯，故此結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

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 壓力場分析

JWF1217 型梳棉機(jī)濾塵管道的壓力云圖如圖7 所示。可以看出，當(dāng)氣流從管道流過時，氣流之間摩擦消耗能量，產(chǎn)生壓降；在經(jīng)過拐角、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，由于氣流流動方向和速度發(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)壓降過渡平滑，無明顯的壓力驟變，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、蓋板左前吸點、錫林漏底后吸點、大壓輥吸點等，由于偏離主管道吸風(fēng)口，且管道長，負(fù)壓值偏低，特別是管道較長的大壓輥吸點，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截面的湍流動能圖如圖8 所示?？梢钥闯觯麄€濾塵管道的流動性較好，管道的前部幾乎沒有湍流耗散，后部由于風(fēng)量分配點多，氣流流動較為紊亂，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)濾塵管道湍流動能圖

2.3 定量分析

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

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

主管道吸點給定-800 Pa 時，出風(fēng)口處風(fēng)量7 783 m3/h，風(fēng)速24.68 m/s，各吸點的風(fēng)量總和7 592 m3/h，模擬所得數(shù)值為無雜質(zhì)影響的理想空氣狀態(tài)且無壁面摩擦損失，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)清潔器吸點較后下吸點稍高，符合實際吸風(fēng)需求。

梳棉機(jī)在梳理過程中不同位置的吸塵要求不同，若吸風(fēng)口風(fēng)量風(fēng)壓過小，則不能有效去除短絨和塵雜；相反，風(fēng)量風(fēng)壓過大則會將好的纖維吸走，造成浪費。對于梳棉機(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風(fēng)速有利于提高吸塵效果［11］。蓋板處吸點較多，除了遠(yuǎn)端蓋板右前吸點風(fēng)壓風(fēng)速小，其余吸點風(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，這是因為蓋板吸點距離主管道負(fù)壓吸風(fēng)點較近，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

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

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在結(jié)構(gòu)限制滿足要求的前提下，濾塵管道拐角處采用大圓弧過渡設(shè)計，保證氣流場分布均勻流暢，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，避免了對管道流速的影響。

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、大壓輥吸點和圈條器吸點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不會將好的纖維吸走；梳棉機(jī)后部分配的風(fēng)量與前部相比高，避免了梳理過程中生成的雜質(zhì)短絨不能被及時吸走而導(dǎo)致的堵塞現(xiàn)象，有利于穩(wěn)定生產(chǎn)效率。