基于CFD技術(shù)紡織空調(diào)送風(fēng)口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王曉維，汪虎明，高 杰，錢付平，夏 強(qiáng)

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽馬鞍山 243002；2.江蘇精亞集團(tuán)有限公司，江蘇無錫 214426；3.徐州天虹智能紡紗有限公司，江蘇徐州 221299）

0 引言

由于棉紡織企業(yè)普遍采用自動化程度較高的生產(chǎn)工廠，設(shè)備功率密度高達(dá)每平方米幾百瓦，且車間內(nèi)的溫濕度隨室外氣候變化明顯，易導(dǎo)致紡織車間的熱濕環(huán)境較差［1］。由于空氣的溫濕度與纖維的性能，如強(qiáng)度、導(dǎo)電性、回潮率等之間有著密切的關(guān)系，故紡織工藝對空氣的溫濕度要求很高，紡織廠空氣調(diào)節(jié)尤為重要［2］。合理的氣流組織同時(shí)能夠排除室內(nèi)外各種環(huán)境因素的干擾，使生產(chǎn)車間保持一定要求的環(huán)境空氣參數(shù)，適應(yīng)和滿足紡織纖維在加工過程中對溫濕度的特殊敏感性，以保證各工序生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，提高生產(chǎn)質(zhì)量和設(shè)備利用率，保護(hù)職工健康［3］。由于車間的機(jī)器發(fā)熱引起的自然對流和人的熱羽流，在對工作區(qū)進(jìn)行微環(huán)境控制時(shí)需要考慮混合對流的流動特征［4］。為提高生產(chǎn)自動化水平，很多廠家采用細(xì)絡(luò)聯(lián)結(jié)構(gòu)，即在細(xì)紗機(jī)和自動絡(luò)筒機(jī)之間增加一個(gè)聯(lián)接系統(tǒng)，主要功能是將經(jīng)細(xì)紗自動落紗裝置落下的管紗自動運(yùn)輸?shù)阶詣咏j(luò)筒機(jī)進(jìn)行絡(luò)紗，并將空管自動運(yùn)回到細(xì)紗機(jī)［5］，但細(xì)紗工序和絡(luò)筒工序所需濕度環(huán)境不同，為滿足需求，應(yīng)通過優(yōu)化送風(fēng)口結(jié)構(gòu)來營造合理的氣流組織。

顏蘇芊等［6］曾通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對紡織廠車間氣流組織的溫度場、速度場及PMV-PPD進(jìn)行研究和分析，其結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合，可為CFD技術(shù)在指導(dǎo)實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)和參考。王海［7］通過模擬細(xì)紗車間上送側(cè)回和上送下回的2種送回風(fēng)方式進(jìn)行對比和分析，發(fā)現(xiàn)上送下回的方式更加合理。針對具有細(xì)絡(luò)聯(lián)的紡紗車間，為達(dá)到工藝生產(chǎn)要求的空氣環(huán)境，需要通過改進(jìn)送風(fēng)口結(jié)構(gòu)來控制氣流分布。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，采取一種復(fù)合式混流送風(fēng)口［8］，并利用CFD軟件Airpak模擬不同送風(fēng)口結(jié)構(gòu)下車間的溫濕度及風(fēng)速，分析不同氣流組織下的溫濕度變化趨勢，從而確定最優(yōu)送風(fēng)口結(jié)構(gòu)。

1 物理模型

本文研究對象為某紡織廠具有細(xì)絡(luò)聯(lián)的紡紗車間的空調(diào)系統(tǒng)。由于空間過大，考慮到計(jì)算工作量，故本研究的物理模型選擇了車間內(nèi)的典型區(qū)域，在絡(luò)筒機(jī)上方16 m的導(dǎo)流板上截取了4 m，創(chuàng)建10 m×6 m×3.5 m的空間，包括2臺細(xì)紗機(jī)、2臺絡(luò)筒機(jī)、12個(gè)回風(fēng)口、2個(gè)送風(fēng)口。采用上送下回的氣流組織，回風(fēng)口采用條縫形風(fēng)口，嵌裝于地面。送風(fēng)口結(jié)構(gòu)的條形導(dǎo)流板和導(dǎo)風(fēng)板角度根據(jù)現(xiàn)場機(jī)器位置而定，依據(jù)圖紙可得，角度設(shè)定如圖1所示，整流格柵通孔布置方式如圖2所示。構(gòu)造物理模型如圖3，4所示。

圖1 導(dǎo)流板角度示意

圖2 整流格柵示意

圖3 物理模型

圖4 送風(fēng)口結(jié)構(gòu)

由于在細(xì)紗工序中，纖維應(yīng)控制在放濕狀態(tài)，相對濕度要求為55%～60%；在絡(luò)筒工序中應(yīng)保證纖維的充分吸濕，相對濕度要求為60%～70%［9］。故需要通過控制送風(fēng)方向及送風(fēng)量來提供不同工藝所需的環(huán)境條件。另外，機(jī)器間的車弄是工人操作區(qū)域，送風(fēng)氣流應(yīng)形成以車弄為主要送風(fēng)區(qū)域，下降氣流為主體的氣流趨勢，這樣既能提供適宜的溫濕度條件又可抑制粉塵在工作區(qū)的擴(kuò)散提高工作環(huán)境的空氣質(zhì)量。

2 數(shù)學(xué)模型

本研究的求解模型采用室內(nèi)零方程湍流模型，其由CHEN等在1998年提出，于2001年被Fluent公司采用并在Airpak中采用，該模型需要求解的方程少，因此所需計(jì)算機(jī)存儲空間小，計(jì)算速度比標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型快10倍［10］。這個(gè)模型可以較為理想的預(yù)測自然通風(fēng)、強(qiáng)制對流、混合通風(fēng)及置換通風(fēng)的室內(nèi)空氣流動模型，在國際暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

2.1 控制方程

室內(nèi)空氣熱濕交換滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，室內(nèi)空氣湍流流動的控制微分方程通式［11］表示為：

式中 t ——時(shí)間，s；

ρ ——流體密度，kg/m3；

φ—— 流動的速度、焓（溫度）、組分等物理量；

u —— 速度矢量在x坐標(biāo)軸上的速度分量，m/s；

S ——廣義源項(xiàng)。

室內(nèi)零方程模型給出的湍流黏度 μt的表達(dá)式為［12-17］：

式中 C0——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C0=0.038 74；

V ——局部速度的最大值，m/s；

dmin——與壁面的間距最小值，m。

在邊界上計(jì)算傳熱是利用一個(gè)對流傳熱系數(shù)：

式中 h ——對流傳熱系數(shù)；

μeff——有效黏度；

Preff——有效普朗特?cái)?shù)；

cp——流體比熱；

Δxj——鄰近墻的網(wǎng)格間距；

μ ——流體黏度。

2.2 邊界條件

本次模擬對象為2臺絡(luò)筒機(jī)和2臺細(xì)紗機(jī)附近工作區(qū)域，其中細(xì)紗機(jī)的發(fā)熱量為18 200 W，絡(luò)筒機(jī)的發(fā)熱量為13 500 W。車間初始環(huán)境溫度為27 ℃，相對濕度為70%。設(shè)置送風(fēng)口風(fēng)速為v=2 m/s，送風(fēng)溫度24 ℃，相對濕度為95%；回風(fēng)口為負(fù)壓150 Pa出流；設(shè)置四周墻體為無厚度、無流速、絕熱的邊界。

2.3 網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分情況如圖5所示，網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對細(xì)紗機(jī)、絡(luò)筒機(jī)、送風(fēng)口、回風(fēng)口、整流格柵及導(dǎo)流板等處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

圖5 網(wǎng)格劃分示意（X=-1.6 m處）

3 模型驗(yàn)證

本文以2014年熊亞飛對紡織車間復(fù)合式混流送風(fēng)口的風(fēng)速的模擬及試驗(yàn)［15］為驗(yàn)證對象，進(jìn)行了驗(yàn)證對比，復(fù)合式混流送風(fēng)口模型及局部放大如圖6所示。

圖6 復(fù)合式混流送風(fēng)口模型及局部放大圖

房間尺寸為10 m×8 m×6.3 m，本次模擬對象僅針對風(fēng)口，分別模擬喉口風(fēng)速為2，3 m/s時(shí)的風(fēng)口處的速度場［15］，與文獻(xiàn)［15］中采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型不同，本文采用室內(nèi)零方程模型，將2種湍流模型的模擬結(jié)果及試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)測點(diǎn)如圖7所示，試驗(yàn)測量的各點(diǎn)風(fēng)速值與對應(yīng)模擬結(jié)果見圖8。室內(nèi)零方程湍流模型模擬結(jié)果的風(fēng)口出流速度如圖9所示，與標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型的速度分布趨勢大致相同。

圖7 試驗(yàn)測點(diǎn)

圖8 湍流模型與實(shí)驗(yàn)值的測點(diǎn)速度

圖9 風(fēng)口出流速度矢量

由對比結(jié)果可知：室內(nèi)零方程模型的模擬結(jié)果與兩方程的結(jié)果基本吻合，且走勢一致。各測點(diǎn)的模擬值與試驗(yàn)測試值最大差值不超過0.8 m/s，平均誤差為10.38%，模擬結(jié)果誤差較小。由此證明室內(nèi)零方程湍流模型和計(jì)算方法的選擇及相關(guān)參數(shù)的求解計(jì)算是正確可靠的。

4 結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

在驗(yàn)證了所提出的CFD的數(shù)學(xué)模型合理性的基礎(chǔ)上，選取整流格柵的孔徑D分別為10，20，30，32 mm（開孔率依據(jù)沖孔設(shè)備不導(dǎo)致板材變形的壓力而定）。分別對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而分析各溫度、相對濕度及風(fēng)速分布情況，確定整流格柵的最佳孔徑。

4.1 溫度分布

由圖10可知，不同整流格柵孔徑下的車間溫度場的差別主要在其分布的均勻性：當(dāng)孔徑從10增大到30 mm時(shí)，風(fēng)量分布逐漸合理，溫度場更均勻，這是由于孔徑的逐漸增大，通過整流格柵流向兩側(cè)導(dǎo)流板和折返的風(fēng)量減??；孔徑為32 mm時(shí)，68%的風(fēng)量通過整流格柵下送，兩側(cè)導(dǎo)流板的導(dǎo)風(fēng)量偏少，導(dǎo)致細(xì)紗機(jī)區(qū)域的溫度較高。

圖10 車間X=-1.6 m處溫度分布云圖

4.2 相對濕度分布

車間Y=1.8 m處（粗紗、細(xì)紗的布置高度，即細(xì)紗機(jī)與絡(luò)筒機(jī)的主要工作高度）相對濕度分布如圖11所示。孔徑為10 mm時(shí)，絡(luò)筒機(jī)周圍的空氣相對濕度不到57%，且細(xì)紗機(jī)周圍區(qū)域相對濕度為63%以上，不符工藝要求。隨孔徑逐漸增大至30 mm時(shí)，隨著絡(luò)筒區(qū)域送風(fēng)量的增加，絡(luò)筒區(qū)平均相對濕度為62.1%，細(xì)紗區(qū)平均相對濕度為54.1%，基本滿足工藝需求?？讖綖?2 mm時(shí)，絡(luò)筒區(qū)域的相對濕度雖滿足要求但細(xì)紗區(qū)域平均相對濕度為62.7%，不利于生產(chǎn)。

圖11 車間Y=1.8 m處相對濕度分布云圖

4.3 氣流速度分布

由圖12可知，當(dāng)孔徑為10 mm時(shí)，絡(luò)筒區(qū)域送風(fēng)量少導(dǎo)致風(fēng)速為0.72 m/s左右時(shí)，細(xì)紗區(qū)域內(nèi)局部出現(xiàn)較高速度，其原因有：（1）機(jī)器散熱導(dǎo)致的上升氣流與送風(fēng)口氣流相撞形成的；（2）流經(jīng)導(dǎo)流板風(fēng)量大，導(dǎo)致導(dǎo)流板出流速度大，易形成渦旋。隨著孔徑增大至30 mm，氣流速度分布逐漸均勻，工作區(qū)域平均風(fēng)速為1.44 m/s，孔徑為32 mm時(shí)，機(jī)器周圍局部風(fēng)速高達(dá)2.67 m/s，易造成紗線雜質(zhì)飄浮在空中，對健康造成影響。

圖12 車間Y=1.8m處氣流速度分布云圖

4.4 車間實(shí)際運(yùn)行測試與模擬對比分析

根據(jù)以上的模擬結(jié)果，確定具有D=30 mm的整流格柵的送風(fēng)口結(jié)構(gòu)為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，將其加工并應(yīng)用于車間。在車間內(nèi)選取與所建模型對應(yīng)區(qū)域，選擇5個(gè)送風(fēng)口，分別在送風(fēng)口下方的絡(luò)筒機(jī)和細(xì)紗機(jī)處布置兩個(gè)測點(diǎn)，距離地面1.5，2.5 m。在兩絡(luò)筒間距中點(diǎn)、細(xì)紗機(jī)與絡(luò)筒間距中點(diǎn)處，分別距地面1.5，2.5 m高度，沿絡(luò)筒機(jī)長度方向均勻布置5個(gè)測點(diǎn)，共40個(gè)測點(diǎn)。用泰仕TES-1341熱線式風(fēng)速計(jì)測試各個(gè)測點(diǎn)的溫濕度。

測試時(shí)，環(huán)境溫度為車間實(shí)際運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)速度v=2.0 m/s，溫度為22 ℃，相對濕度為90%，回風(fēng)溫度為26 ℃，對D=30 mm的模型進(jìn)行相同的邊界條件設(shè)置后模擬，將車間實(shí)際運(yùn)行的測試結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比如圖13所示。

圖13 溫度、相對濕度的實(shí)測值與模擬值對比

從圖13可以看出，車間內(nèi)的實(shí)測溫度與模擬溫度均在25～28℃之間，實(shí)測相對濕度與模擬相對濕度均在64%～72%之間，且趨勢相同，說明模擬結(jié)果與車間實(shí)際情況基本吻合。實(shí)測溫度與模擬溫度最大差值為1.2 ℃，平均差值為0.4 ℃，最大相對誤差為4.6%，平均相對誤差為1.35%。相對濕度的實(shí)測與模擬最大差值為2.6%，且模擬相對濕度值普遍比實(shí)測相對濕度值要高，可能是細(xì)紗機(jī)和絡(luò)筒機(jī)模型簡化成實(shí)體，對空氣流動產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)送風(fēng)口結(jié)構(gòu)的條形導(dǎo)流板和導(dǎo)風(fēng)板角度一定時(shí)，改變整流格柵的孔徑大小，發(fā)現(xiàn)隨著孔徑從10 mm增大至32 mm時(shí)，流經(jīng)導(dǎo)流板和整流格柵的風(fēng)量分布逐漸合理，機(jī)器上升氣流對氣流分布的影響降低，溫度場更加均勻，機(jī)器周圍區(qū)域的相對濕度幾乎滿足各自工藝需求，但機(jī)器周圍因?yàn)轱L(fēng)量增加，風(fēng)速偏高。

（2）就滿足不同紡紗工序的溫濕度條件而言，孔徑為30 mm時(shí)的送風(fēng)口結(jié)構(gòu)最佳。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，對模擬車間進(jìn)行了實(shí)際測試并對之前整體模擬進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明了Airpak軟件模擬車間狀況與實(shí)際測試基本吻合，證明此送風(fēng)口結(jié)構(gòu)的可應(yīng)用性。