基于CFD的梳棉機濾塵管道的分析及結構改進

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（CFD）方法，對梳棉機后上濾塵吸塑管道進行氣流場分析。結果表明：原管道內存在一些湍流，增加了壓力損失，造成除塵效率偏低。為此對該管道進行了結構改進設計，并做了進一步的數值模擬分析。經過對改進前后管道的CFD模擬結果的分析對比，總結出改進后的管道氣流場分布更加合理。

關鍵詞：梳棉機；濾塵吸塑管道；氣流場；CFD；結構改進設計

中圖分類號：TS112.2

文獻標志碼：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

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

1試驗

試驗儀器：青島紡織機械廠FB1235型梳棉機、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的直管段。然后，啟動FB1235型梳棉機，穩定運行180 min達到正常工況。將風壓皮托管測試端接在吸點位置，測量出吸點的壓力和風速，測量10次取其平均值。測量結果如表1所示。

圖2中顯示，管道內壓力出口的負壓急劇衰減，最低負壓值為-451 Pa，負壓從入口到達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壓衰減的較嚴重，該部分結構需要進一步的優化。

原梳棉機后上濾塵吸塑管道的改進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，原梳棉機后上濾塵吸塑管道內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，梳棉機后上濾塵吸塑管道內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致負壓急劇損失，造成負壓浪費。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，使得壓力出口處負壓降低，不利于有效地吸除棉層內的棉結短絨，影響生條質量。

3結構改進后的CFD模擬及結果分析

3.1后上濾塵吸塑管道的結構改進

由對原梳棉機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。為此對該梳棉機進行了結構改進，結構改進原則是：在梳棉機濾塵吸塑管道安裝布置允許的空間內最大程度地使管道結構平順，避免大幅度的彎曲，從而保證管道內氣流場分布均勻流暢，避免湍流的產生。

將梳棉機管道彎曲處的角度調整為140°左右，增大彎曲處的曲率半徑，實現彎曲處管道的結構平順過度。將改進后的梳棉機后上濾塵吸塑管道使用六面體單元進行網格劃分后，生成79 945個單元，63 087節點。改進后的后上濾塵吸塑管道模型如圖5所示。

3.2結構改進后的CFD模擬

將結構改進后的梳棉機后上濾塵吸塑管道三維模型導入Fluent中進行CFD模擬分析，設定模型入口條件不變，模型出口為壓力出口。對改進后的濾塵管道的湍流情況（圖6）與改進前（圖4）進行對比分析。

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

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

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

4結論

a）對濾塵后上濾塵吸塑管道進行CFD模擬分析，結果表明，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；原梳棉機后上吸塑管道內的結構突變會產生湍流，浪費負壓，引起局部的流動損失。

b）結構改進后的管道流線分布流暢，避免了湍流的產生。有利于減小壓力損失和能量消耗，可以有效地提高梳棉機濾塵吸塑管道的吸塵能力。

參考文獻：

[1] 夏春明.梳棉機后車肚吸風裝置的改造[J].紡織機械，2013（1）：6-8.

[2] 費青.國內外高產梳棉機特征和發展分析研究（上）[J].現代紡織技術，2009，17（3）：58-62.

[3] 費青.國內外高產梳棉機特征和發展分析研究（下）[J].現代紡織技術，2009，17（4）：45-50.

[4] 韓賢國，孫鵬子，趙業平.梳棉機刺輥罩殼內氣流靜壓力規律的研究[J].棉紡織技術，2009，37（9）：11-14.

[5] 丁欣碩，焦楠.Fluent14.5流體仿真計算從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2014.

[7] 王永巖，畢向陽.英漢雙語有限元法電子教程[M].北京：科學出版社，2014：1-49.

（責任編輯：唐志榮）