氣流成網機流場三維仿真分析

王周晶，陳少克，周 軍

（汕頭大學 機電系，汕頭 515063）

0 引言

氣流成網是生產非織造布的一項重要技術，多用于生產薄型非織造布，產品廣泛應用于各個領域中。隨著非織造產業的飛速發展，氣流成網機向著高效、高速、寬幅、高適應性發展[1]。氣流成網均勻度的關鍵技術是要處理好氣流和纖維之間的關系。氣流流場是氣流成網機中的關鍵部分，氣流直接影響纖維在流場中的分布，對成網質量有直接影響。目前，國內外學者主要致力于成網工藝和機械結構的研究，流場的仿真分析還處于探索階段。

傳統的梳理成網方式產量低，成網不均勻、各向受力不均衡，主要適用于長纖維的成網。和傳統的成網方式不同的是，氣流成網方式制取的纖網，纖維在纖網中呈三維分布，結構上屬于雜亂度較高的纖網，物理機械性能上基本顯示各向同性的特點，在任意方向上都具有抗拉伸或抗剪切的強度和剛度。加工出來的產品縱、橫向強度差異小，一般約為1.5:1，產品柔軟、蓬松。氣流成網機取代了傳統的梳理機及交叉鋪網機，將適用的原料種類廣泛的延伸到許多傳統機械所不能操作的領域中，同時也將生產成本大幅度降低[2]。

經廣大研究者的多年努力,解決成網均勻度問題的辦法層出不窮，但目前還沒有學者在流場參數上進行研究。氣流成網機流道參數直接影響非織造布的生產效率和產品質量。如果流道參數取得不當，產品會出現云斑，裂口，孔眼等[3]。本文對氣流成網機的流道適當簡化，利用GAMBIT軟件建立了流道的CFD三維模型；流道內部空氣動力學分析；參數正交試驗和流場分析。從復雜的流體運動狀態中考察影響因素，探索改進的方法，來考察不同參數對流道中的剝離纖維氣流速度V的影響，分析實驗結果和模擬結果。利用參數正交試驗找到最優參數組合，使成網質量最優。

1 氣流成網機的結構及流道參數

1.1 氣流成網機結構

本論文研究的氣流成網機以工業上廣泛應用的K12型組合式雜亂梳理型氣流成網機為對象。其機械結構如圖1所示，纖維原料從纖維輸入網簾進來，梳理部分由四個工作羅拉2和一個高速旋轉的錫林1組成，對纖維進行分梳和剝取，梳理后的纖維呈單纖維狀態。氣流成網區包括兩個風機3和6、擋風板4和風罩外殼。成網方式采用壓入、抽吸結合形式，離心風機3產生的是“壓入風”，軸流風機6產生的是“抽吸風”，擋風板4可以左右移動，調節板面和風罩之間的風量大小。單纖維狀態的纖維束在錫林產生的離心力作用下脫離針布，同時在吹入氣流和抽吸氣流的聯合作用下落到纖維輸出網簾上。為保證成網后的纖維平整，輸出部分有壓棉棍5。

圖1 氣流成網機示意圖

1.2 氣流成網機流道參數

根據生產經驗發現流道內有四個重要參數與成網質量有關，這四個參數分別是：離心風機入口速度V0、軸流風機出口壓力P、擋板和流道之間的板距S、錫林嵌入流道內的距離D，如圖2所示。

本文對流道的四個重要參數進行了一系列的模擬分析，考察它們對剝離纖維氣流速度V的影響。高速旋轉的錫林在離心力作用下使纖維從錫林針尖脫落，剝離纖維氣流速度V應接近錫林表面線速度，剝離氣流的運動方向應為錫林的切線方向，此時氣流有助于纖維伸直，成網效果最佳。

圖2 流道參數示意圖

2 氣流成網機的流場模擬仿真

2.1 空氣動力學分析

氣流成網機流道內是空氣氣流，滿足流體的連續方程。空氣為可壓流體，可壓流體的連續方程中含密度ρ，因而可把密度ρ視為連續方程中的獨立變量進行求解。連續方程又稱質量守恒方程：

式中：X、Y、Z分別代表空間坐標系三軸的正方向；U、V、W分別代表X、Y、Z方向的速度。ρ為密度，t為時間。

氣流成網機的流體是牛頓粘性穩態湍流流體，流體是各向同性且u, ρ為常數，其動量守恒方程(N-S方程)在直角坐標中為[4]：

式中：Fx、Fy和Fz分別表示單位體積的體積力F在X、Y和Z方向的分量；μ為動力粘度；p為靜壓力。

湍流出現在速度變動的地方，絕大多數的流動現象都屬于湍流。這種波動使得流體介質之間相互交換動量、能量和濃度變化，而且引起了數量的波動。k - ε雙方程模型被廣泛應用已經超過二十年，它是基于漩渦粘度各向同性的假設基礎上的經驗模型。與零方程湍流模型和單方程湍流模型相比，k -ε模型具有更經濟、更準確、使用范圍更廣泛等優點。

本研究采用標準k-ε湍流模型方程，其中湍動能k方程和湍流耗散率ε方程分別為[5]：

2.2 氣流流道的簡化模型

本研究以工業上廣泛應用的K12型組合式雜亂梳理型氣流成網機為對象進行分析。由于氣流成網機中流道的實際形態比較復雜，為了建模的方便，在仿真分析時需要在不影響分析結果的前提下對模型進行一定的簡化，這樣可使網格劃分變得相對簡單。在對氣流流道進行建模時，以離心風機下方與擋風板上方做截面，軸流風機的吸風口做截面，錫林外圓和流道外殼近似封閉當做封閉處理。其結構尺寸如圖3所示。

圖3 流道尺寸圖

2.3 網格劃分與邊界條件

FLUENT作為時下最先進、最流行的CFD商用軟件，對模擬二維、三維粘性流體流動、傳熱傳質方面有著獨特的優勢。結合氣流成網機風道流體流動的特點，本文選擇FLUENT 6.3作為本研究的CFD數值分析工具軟件。

利用軟件Pro/E建立氣流成網機氣流流道的三維模型，將模型以ACIS格式導出。再將ACIS文件導入FLUENT的前處理軟件GAMBIT，物理模型劃分區域將生成混合網格。最后，將GAMBIT輸出的Mesh文件導入求解器FLUENT6.3.26，檢查網格，選定三維單精度求解器，選擇物理模型，設置邊界條件。湍流模型選擇標準k-ε模型下的k-epsilon[2 eqn]，其他保留默認值，不考慮傳熱因此不用設置能量方程。求解器的控制設置為非耦合隱式求解（Segregated Implicit），因子采用默認值，壓力插值Second Order格式，其他變量離散化均為二階迎風格式。

根據流道中氣流流動特性以及流道結構復雜性，本例采用非結構化網格方式進行網格劃分。在流道網格劃分中，主要采用四面體網格，個別位置采用楔形體網格和椎體網格進行混合網格劃分，變量梯度大的局部區域進行網格加密處理。最終得到網格模型如圖所示，總共生成網格526504個，1084867個面、103719個網格節點，生成的網格模型如圖4所示。

圖4 流道網格模型

3 結果分析

3.1 流場仿真分析

利用FLUENT提供的可視化圖形工具可以很方便地觀察求解結果，并得到滿意的數據和圖形，用來定性或者定量研究整個計算。本文研究了氣流成網機流道內流體動力學特性，分析了空氣流道內壓力分布、速度分布情況和不同參數下的剝離氣流速度大小。為了更清晰地觀察到流道內部的流場信息，建立了沿出流場口方向的中心截面，明顯看到流道內部流體的速度分布不均、壓力分布不均的現象。由速度矢量圖5可知，流道內較大流速主要分布在擋風板頂端、錫林外壁和吸風口上端；流道內擋風板右側流速很小，因為右側不封閉，與大氣相連，氣流大部分流經擋風板左側，剝離錫林上的纖維束。由壓力云圖6所示，最小壓力集中在底部，因為風道出口的軸流風機產生的是負壓力；壓力較大的部位集中在擋風板頂部和擋風板左側而右側的壓力較小，因為入口離心風機產生的氣流流經擋板右側后進入大氣中，仿真結果與實際情況相符。

圖5 流場速度矢量圖截面（a）和整體圖（b）

圖6 流場壓力云圖截面（a）和整體圖（b）

以入口速V0=4 m/s，擋板和流道之間板距S=15mm，錫林嵌入流道距離D=54mm為前提條件，分別給出四個不同的出口壓力-500pa、-700pa、-900pa、-1100pa、-1300pa進行模擬仿真。隨著出口負壓P不斷增強，氣流剝離速度V不斷增大，如圖7所示。

在入口速度V0=4m/s，擋板和流道之間板距S=15mm的前提下，分別設定錫林嵌入流道距離D=45mm、50mm、52mm、54mm、59mm進行模擬仿真。得到錫林嵌入流道距離——剝離氣流速度圖呈開口向下的曲線，剝離氣流速度V隨著錫林嵌入距離D的增大先增大后減小，當D=50mm時錫林嵌入距離對增加剝離氣流速度的影響最顯著，如圖8所示。

圖7 出口壓力—剝離氣流速度

圖8 錫林嵌入距離—剝離氣流速度

在出口壓力P=-900pa，擋板和流道之間板距S=15mm，錫林嵌入流道距離D=54mm的前提下，分別設定入口速度為3m/s、3.5m/s、4m/s、4.5m/s、

5m/s進行模擬仿真。入口速度與剝離氣流速度基本呈線性關系，剝離氣流速度隨著入口速度的增大而增大，如圖9所示。

在出口壓力P=-9 0 0 p a，錫林嵌入流道距離D=54mm，入口速度為4m/s的前提下，分別設定擋板與流道板間板距S=10mm、13mm、15mm、20mm進行模擬仿真。剝離氣流速度隨著板距的增大而減小，如圖10所示。

圖9 入口速度—剝離氣流速度

圖10 板距—剝離氣流速度

3.2 正交試驗分析

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，它根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點。是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。正交試驗的基本特點是用部分實驗代替全面試驗，通過部分試驗結果的分析了解全面試驗的情況。

對于多個因素變化制約一個事件的變化，為了弄清楚哪些因素重要，哪些因素不重要，因素之間怎樣搭配會產生理想值，必須通過做實驗驗證。單因素或者兩個因素的試驗，試驗的設計與分析都比較簡單。但在實際工作中，通常需要考察3個或3個以上的試驗因素，若因素較多，每種因素又有很多變化值，全面試驗規模會非常大，難以實施。正交試驗設計就是安排多因素試驗，尋求最優水平組合的一種高效率試驗設計方法[6]。

根據上面對流場參數曲線分析，四個因素對成網質量都有較大的影響，因此將它們確定為正交實驗的實驗因子。確定完正交實驗的實驗因子后，各因子的水平選取也很重要，它也會直接影響到實驗的效果，本正交實驗的水平數經考慮選定為三。挑選出具有代表性的水平參數點：入口速度分別取3m/s、4m/s、5m/s；出口壓力分別取-900pa、-1100pa、-1300pa；錫林嵌入距離分別取45mm、50mm、54mm；板距分別取10mm、13mm、15mm進行四因素三水平的正交試驗。根據因子數和水平數來選擇合適的正交表，正交表L9（34）符合選擇的標準，表示需作9次實驗，可觀察4個試驗因素，每個因素均為3水平。試驗指標是剝離纖維的氣流速度V，剝離氣流速度與錫林的線速度越接近成網質量越好。根據表1所示氣流成網機的主要技術指標，可以知道錫林的線速度為2470m/min≈41m/s，也就是說試驗指標越接近41m/s，成網效果越好。利用FLUENT流體仿真軟件，更改模型結構和參數設置，考察剝離氣流速度，得到9個試驗組的數據，其中第7號試驗數據最佳。

表1 氣流成網機主要技術指標

表2 正交試驗表

3.3 仿真結果驗證

對比結果如圖11所示，CFD計算出的剝離氣流速度的最大絕對誤差為3.47m/s，最大相對誤差為17%，平均相對誤差為5.7%，且分布趨勢與實驗結果基本相符。

圖11 仿真值與測量值對比圖

4 結論

本文提出用計算流體動力學軟件FLUENT對氣流成網機的空氣流道仿真分析，找到了提高剝離纖維氣流速度的方法，得到流場參數最佳組合。

提高剝離纖維氣流速度的辦法：一方面可以增加軸流風機的負壓、增加離心風機的風速；另一方面可以調整錫林和擋風板在流道中的位置，錫林嵌入流道距離為50mm時能最大提高剝離氣流速度；減小擋風板和流道板距也能提高剝離氣流速度。

利用FLUENT軟件模擬流場可以模擬多參數多水平的正交試驗，經過求解計算可以有效分析多參數組合下的剝離纖維氣流速度。通過正交試驗可以得出，當離心風機入口速度為5m/s、軸流風機出口壓力為-900pa、錫林嵌入流道距離為54mm、擋板與流道板距為13mm時，成網的均勻度最佳。本文的實驗和研究對實際生產中氣流成網機參數設置具有一定參考價值，能有效提高成網產品的均勻性。

[1] 徐祥.淺談氣流成網機的技術改進[J].產業用紡織品,2008,10:19-21.

[2] 鐘剛,王敏.氣流成網機的技術研究和改進[J].產業用紡織品,2008,03:15-18.

[3] 孫曉俊.改善氣流成網均勻度的途徑[J].產業用紡織品,2002,05:28-29.

[4] 丁徐亮.酸再生系統噴嘴數值模擬及結構參數優化[D].華東理工大學,2014:39-40.

[5] 張師帥.計算流體動力學及其應用—CFD軟件的原理與應用[M].華中科技大學出版社,2011.1:8-9.

[6] 任露泉.試驗設計及其優化[M].北京:科學出版社,2009:3-6.