基于Fluent的氣流成網(wǎng)機(jī)輸送風(fēng)道流場(chǎng)參數(shù)對(duì)成網(wǎng)質(zhì)量的影響

李 笑 楊建成 何浩浩 王慧勇

1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.天津市機(jī)械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300387

氣流成網(wǎng)是非織造材料行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，其在特種纖維成網(wǎng)方面起著越來(lái)越重要的作用[1]。區(qū)別于傳統(tǒng)的成網(wǎng)方式，氣流成網(wǎng)技術(shù)是采用空氣流輸送纖維，使纖維雜亂無(wú)序地排列在一起，形成均勻的纖維網(wǎng)的。氣流成網(wǎng)技術(shù)能夠提高纖維網(wǎng)尤其是采用碳纖維[2]、玻璃纖維、金屬纖維等特種纖維制成的纖維網(wǎng)的各向同性，形成性質(zhì)良好的纖維網(wǎng)。氣流成網(wǎng)工藝也適用于一些脆性較大或硬度較高的纖維的成網(wǎng)加工[3]5。國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣流成網(wǎng)的研究多側(cè)重于氣流成網(wǎng)機(jī)的工藝探討及機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方面，而關(guān)于氣流成網(wǎng)中流場(chǎng)及流場(chǎng)與纖維作用的綜合分析還較欠缺，關(guān)于輸送風(fēng)道的研究也較少，僅有一些相似的研究可以學(xué)習(xí)借鑒。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)越來(lái)越多地應(yīng)用于流體流動(dòng)的研究，并取得較好的成果。在紡織設(shè)備研究方面，林惠婷等[4-5]采用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)轉(zhuǎn)杯紡輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的氣流場(chǎng)進(jìn)行研究，闡明了流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及影響因素。武傳宇等[6]應(yīng)用Fluent流體計(jì)算軟件，對(duì)紡紗通道內(nèi)氣體流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果揭示了紡紗通道內(nèi)的氣流特性及最佳的轉(zhuǎn)杯滑移面角度。王貫超等[7]采用流體動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)噴氣織機(jī)主噴嘴的氣流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了導(dǎo)紗管內(nèi)不同截面上氣流速度的分布，表明利用數(shù)值模擬方法研究流場(chǎng)特性不僅方便快捷，而且精度較高。

本文利用Fluent流體計(jì)算軟件對(duì)氣流成網(wǎng)機(jī)輸送風(fēng)道內(nèi)的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由仿真模擬結(jié)果分析流場(chǎng)內(nèi)的速度特征，以期為氣流成網(wǎng)技術(shù)的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 氣流成網(wǎng)機(jī)工藝數(shù)學(xué)模型

氣流成網(wǎng)機(jī)的工作原理如圖1所示。纖維由喂棉板1和喂入羅拉2喂入，經(jīng)過(guò)錫林3的分梳后，被由通道5進(jìn)入的氣流吹入輸送風(fēng)道4中，并在運(yùn)送過(guò)程中使纖維更雜亂地混合，最后輸出并凝聚在凝棉器6上，形成所需的纖維網(wǎng)，再進(jìn)行后續(xù)加工。

1—喂棉板；2——喂入羅拉；3——錫林；4——輸送風(fēng)道；5——?dú)饬鬟M(jìn)入通道；6——凝棉器圖1 氣流成網(wǎng)原理示意

從氣流成網(wǎng)機(jī)工作原理和工作特性分析[8]可知，氣流成網(wǎng)的過(guò)程滿足質(zhì)量守恒定律，即喂入的纖維質(zhì)量等于輸出的纖維質(zhì)量和風(fēng)道中纖維存量之和[3]19。據(jù)此，可建立氣流成網(wǎng)機(jī)工藝數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：η——落棉率；

gin(t)——喂入纖維層密度；

vin(t)——喂入纖維層速度；

gout(t)——輸出纖維網(wǎng)密度；

vout(t)——輸出纖維網(wǎng)速度；

Q(t)——風(fēng)道內(nèi)纖維存量。

(1-η0)gin(t)vin(t)=gout(t)vout(t)

(2)

(3)

實(shí)際生產(chǎn)中，纖維網(wǎng)的輸出速度被認(rèn)為是恒定的，而喂入纖維層的密度可以變化。由式(3)可以看出，要獲得均勻的纖維網(wǎng)，即保持輸出纖維網(wǎng)的密度不變，則需要調(diào)節(jié)喂入纖維層的速度和喂入纖維層的密度。由此可知，喂入纖維層的均勻程度及纖維在氣流中輸送時(shí)的分布狀態(tài)[9]均對(duì)輸出纖維網(wǎng)的均勻性產(chǎn)生影響。

本文著重對(duì)纖維在氣流中輸送時(shí)的分布狀況進(jìn)行研究，以使風(fēng)道中的氣流分布均勻，并且在出口處能以穩(wěn)定均勻的速度吹出，從而達(dá)到纖維在凝棉器上均勻成網(wǎng)的目的。

2 輸送風(fēng)道流場(chǎng)理論分析

輸送風(fēng)道流場(chǎng)中流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，表征流體的一切特性可看成是時(shí)間和空間上連續(xù)分布的函數(shù)[10-11]。可以通過(guò)式(4)得到任意流體質(zhì)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中的位置：

(4)

式中：t——時(shí)間；

a，b，c——運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)，其值只因質(zhì)點(diǎn)不同而不同，不隨時(shí)間變化。

輸送風(fēng)道中采用空氣氣流輸送，滿足流體的連續(xù)方程。為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮溫度的影響，則流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律[12]。

在直角坐標(biāo)系下，流體的質(zhì)量守恒方程為

(5)

式中：ρ——流體密度；

ux，uy，uz——分別為x，y，z方向的速度。

連續(xù)性方程表達(dá)了流場(chǎng)中任一點(diǎn)的速度、密度在各個(gè)方向上變化率之間的約束關(guān)系。

動(dòng)量守恒方程為

(6)

式中：X、Y、Z——分別表示單位體積的體積力在x、y、z方向的分量；

μ——?jiǎng)恿︷ざ龋?/p>

p——靜壓力。

氣流成網(wǎng)機(jī)輸送風(fēng)道中使用的氣體為空氣，氣體流動(dòng)屬于湍流，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程進(jìn)行分析：

(7)

(8)

式中：k——湍動(dòng)能；

ε——耗散率；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；

Gb——由于浮力引起的湍動(dòng)能；

YM——可壓湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

σk——與湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；

σε——與耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)。

在流場(chǎng)的理論分析及湍流模型選擇和分析的基礎(chǔ)上，在Fluent流體計(jì)算軟件中對(duì)輸送風(fēng)道中的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真模擬并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

3 三維模型及Fluent計(jì)算分析

3.1 風(fēng)道三維模型的建立

輸送風(fēng)道的結(jié)構(gòu)在很大程度上影響氣流成網(wǎng)的質(zhì)量。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)和氣流成網(wǎng)原理分析，以及相關(guān)的研究報(bào)告[13-14]，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備綜合分析，對(duì)輸送風(fēng)道進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。最后采用如圖2所示的斜喂入式模型和上喂入式模型兩種風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

輸送風(fēng)道的氣流入口和出口關(guān)于中軸線對(duì)稱，可使得吹入的氣流更均勻地從出口吹出。輸送風(fēng)道氣流入口處的尺寸可以調(diào)節(jié)。

a) 斜喂入式

3.2 三維網(wǎng)格劃分及Fluent仿真模擬

對(duì)建立好的風(fēng)道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對(duì)仿真結(jié)果有很大的影響，不合理的網(wǎng)格劃分在仿真時(shí)不能得到理想的結(jié)果。圖3是兩種風(fēng)道模型的網(wǎng)格劃分圖。

a) 斜喂入式

將網(wǎng)格劃分圖導(dǎo)入Fluent流體計(jì)算軟件中進(jìn)行仿真模擬。對(duì)流場(chǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置定義，需滿足流場(chǎng)的理論分析。設(shè)置氣流入口處的邊界條件，改變?nèi)肟谔幍慕Y(jié)構(gòu)尺寸和氣流速度，分別進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 兩種輸送風(fēng)道模型的流場(chǎng)分布

在Fluent流體計(jì)算軟件中對(duì)輸送風(fēng)道內(nèi)部進(jìn)行仿真模擬，得到輸送風(fēng)道整體氣流速度云圖及出口處的速度云圖。斜喂入式和上喂入式兩種風(fēng)道模型的速度云圖分別見(jiàn)圖4和圖5。

a) 風(fēng)道整體 b) 出口截面

a) 風(fēng)道整體 b) 出口截面

對(duì)比圖4和圖5可見(jiàn)：兩種輸送風(fēng)道模型的流場(chǎng)整體分布基本一致，氣流速度均隨著輸送風(fēng)道的逐漸變寬而減小；但兩者出口處的氣流分布存在較大差異，相比斜喂入式輸送風(fēng)道，上喂入式輸送風(fēng)道在出口處的氣流布滿了風(fēng)道的工作寬度，表明上喂入式模型的結(jié)構(gòu)更合理。

4.2 入口尺寸對(duì)流場(chǎng)分布的影響

圖6～圖8分別為上喂入式模型在相同初始速度(20 m/s)下，入口尺寸分別為60、80和100 mm時(shí)的輸送風(fēng)道氣流速度云圖和壓力分布云圖。

a) 速度分布 b) 壓力分布

a) 速度分布 b) 壓力分布

a) 速度分布 b) 壓力分布

對(duì)比圖6～圖8可以看出：在其他條件一致的情況下，入口尺寸的變化對(duì)流場(chǎng)整體的氣流速度分布影響不大，且流場(chǎng)中的壓力值隨著氣流速度的減小而增大。

4.3 初始速度對(duì)出口速度分布的影響

圖9～圖11是入口尺寸分別為60、80和100 mm時(shí)，上喂入式模型在不同初始速度(11、20和25 m/s)下的輸送風(fēng)道出口速度云圖。

a) 11 m/s b) 20 m/s c) 25 m/s

a) 11 m/s b) 20 m/s c) 25 m/s

a) 11 m/s b) 20 m/s c) 25 m/s

從圖9～圖11可以看出：在上喂入式模型的輸送風(fēng)道中，當(dāng)其他條件不變時(shí)，出口處氣流的分布隨著初始速度的增大而更均勻；在初始速度不變時(shí)，出口處氣流的分布隨著入口尺寸的增大而逐漸均勻。當(dāng)初始速度為25 m/s時(shí)，風(fēng)道出口處的氣流速度分布最好。

圖12為上喂入式模型的入口尺寸為100 mm時(shí)，在不同的初始速度條件(11、20和25 m/s)下，出口處不同位置的氣流速度變化。

a) 11 m/s

從圖12可以清楚地看出：當(dāng)初始速度為11 m/s時(shí)，出口處的氣流速度分散在2～7 m/s，范圍很大；當(dāng)初始速度為20 m/s時(shí)，出口處的氣流速度分散在2～11 m/s，范圍也很大；而當(dāng)初始速度為25 m/s時(shí)，出口處的氣流速度，尤其是出口下半部分的氣流速度較均勻，集中在約14 m/s。結(jié)合出口處速度云圖可知，當(dāng)上喂入式模型的入口尺寸為100 mm，初始速度為25 m/s時(shí)，氣流能夠以穩(wěn)定的速度均勻地鋪滿整個(gè)工作寬度并呈矩形吹出。

5 結(jié)論

本文在分析影響氣流成網(wǎng)均勻性因素的基礎(chǔ)上，對(duì)斜喂入式和上喂入式兩種風(fēng)道模型進(jìn)行研究，采用Fluent流體計(jì)算軟件對(duì)氣流成網(wǎng)機(jī)輸送風(fēng)道內(nèi)的氣體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同參數(shù)的變化對(duì)氣流場(chǎng)的影響，得出下述結(jié)論。

(1) 對(duì)比斜喂入式和上喂入式兩種輸送風(fēng)道模型發(fā)現(xiàn)，上喂入式模型入口和出口關(guān)于一條中軸線對(duì)稱，因此氣流能夠布滿整個(gè)工作寬度并均勻地吹出。

(2) 斜喂入式和上喂入式兩種模型風(fēng)道的氣流場(chǎng)整體分布基本一致，氣流速度均隨著風(fēng)道的逐漸變寬而減小，流場(chǎng)中的壓力值則隨著氣流速度的減小而增大；上喂入式模型的結(jié)構(gòu)有助于氣流吹出時(shí)鋪滿整個(gè)工作寬度，形成更均勻的纖維網(wǎng)。

(3) 在上喂入式模型中，隨著初始速度的增大，輸送風(fēng)道出口處的氣流速度增大；隨著入口尺寸的增大，出口處的氣流分布寬度增大。

(4) 上喂入式模型在入口尺寸為100 mm，初始速度為25 m/s時(shí)，出口處氣流能以約14 m/s的穩(wěn)定速度均勻地鋪滿整個(gè)工作寬度并呈矩形吹出，使成網(wǎng)更均勻。