異纖分揀機剔除噴管結構參數對其性能的影響

孫 戩，姜博藝，張守京，胡 勝

(1.西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安 710048；2.西安市現代智能紡織裝備重點實驗室，陜西 西安 710048)

棉花從采摘到加工過程中會使原棉中混入絲、麻等各種異纖[1]，異纖會在棉織物表面造成疵點從而影響紗線質量[2]。在異纖分揀機使用前，多數棉紡廠采用人工分揀原棉中的異纖[3]。異纖分揀機通過剔除噴管噴出的高速氣流剔除棉花中混入的異纖，將大小不一的異纖噴入廢棉通道，再通過廢棉風機將異纖吸入廢棉袋[4-5]，從而提高棉花品質。剔除噴管的性能對于異纖分揀機的剔除效率[6]和耗氣量均起到重要作用，而剔除噴管的性能主要取決于其結構及入口壓力。在一定入口壓力下，剔除噴管結構的優化對于提高異纖分揀機剔除效率以及降低能耗具有重要意義。

對于噴管結構性能的提高，國內外學者進行了大量研究：韓啟龍等[7]在對凹型、凸型及直線型3種不同母線的錐形圓柱噴管的研究中發現，在小錐角條件下適宜采用直線型噴嘴；周衛東等[8]在對淹沒條件下長圓噴嘴進行模擬仿真中得到，在噴嘴入口速度和出口直徑一定的情況下，長圓噴嘴出口速度小于錐形噴嘴，這為使用錐形噴嘴提供了依據。張亮等[9-11]均采用數值模擬的方法對噴氣織機輔助噴嘴結構進行優化，提出有效的評判標準，為相關噴嘴結構研究提供了參考。在異纖分揀機剔除噴管的研究中：Chen等[12]對異纖分揀機的氣流通道進行仿真分析發現，較大的噴嘴直徑有利于異纖剔除；杜玉紅等[13]采用拉瓦爾噴管的結構形式，結合矩形截面的轉換，最終得到均勻的出口速度和更小的能耗，但只考慮噴管內部流場，并未對外部流場進行分析。

本文對CS808型異纖分揀機[14]剔除噴管的噴嘴，分別采用上擴口噴嘴、下擴口噴嘴、錐形噴嘴、矩形噴嘴4種不同的噴嘴結構形式，在入口壓力為0.6 MPa 時，對其內、外流場進行數值仿真，并對比不同參數情況下噴嘴噴出的高速氣流在外部空氣流場內的流動情況，從而判斷其參數對噴管剔除性能的影響，并選擇相對較優的參數，以達到提高剔除噴管的剔除率和減小能耗的目的。

1 噴管結構

1.1 原始噴管模型

CS808型異纖分揀機的剔除噴管板采用 24組一分四的噴管結構，以其中一組噴管為例進行優化分析，原始噴管模型如圖1所示，為圓柱直孔形噴嘴。

注：圖中數值單位為mm。

1.2 噴嘴優化

結合剔除噴管板現有使用情況以及典型噴嘴形式，提出4種優化方案，即剔除噴管其他參數保持不變，對噴嘴結構進行優化。由于剔除噴管的氣流速度受噴嘴截面面積的影響，分別提出上擴口噴嘴噴管、下擴口噴嘴噴管、錐形噴嘴噴管3種方案，同時驗證相同截面面積，不同截面形狀對氣流流場的影響，提出矩形截面噴嘴噴管與原始噴管作對比。如圖2(a)所示，為上擴口噴嘴噴管示意圖，在噴嘴入口處采用擴口的方式增大入口處截面面積，可減小噴嘴入口處阻力，其中H1為上擴口的高度，分別取1.0、0.7、0.5、0.3 mm，A為上擴口的直徑，分別取3.6、4.0、4.4 mm；下擴口噴嘴噴管增大出口處截面面積，下擴口的高度H2和直徑B分別與上擴口噴嘴噴管對應尺寸取值相同，具體參數示意如圖2(b)所示；錐形噴嘴如圖2(c)所示，具有加速氣流速度的作用，噴嘴入口直徑C分別取3.6、4.0、4.4 mm；矩形截面噴嘴噴管的噴嘴截面面積與原始噴嘴相同，采用不同的長寬比K，分別為1和2，其余尺寸不變，其中，矩形噴嘴長度方向與噴管整體長度方向一致。

注：圖中數值單位為mm。

2 有限元模型分析

2.1 計算域及邊界條件設置

異纖是通過噴嘴噴出的高速氣流剔除，因此對氣流在噴嘴噴出后的流動規律進行研究。選取噴嘴內部流道及其外部部分空氣域為計算域。由于輸棉通道厚度為80 mm，則噴管的外部空氣域的長度取80 mm。噴管流體域具有對稱性，為節省計算資源，只需對流體域的四分之一進行計算。入口采用壓力入口，壓力大小為0.6 MPa；外部空氣域直接與空氣接觸，則采用壓力出口，壓力大小為0 MPa；四分之一切分面設為對稱面；其他均為壁面。邊界條件具體如圖3所示。

圖3 邊界條件示意圖

2.2 求解設置

噴管入口壓力較大，因此噴管內的空氣為可壓縮黏性氣體，使用可壓縮的理想空氣。本文的主要目的是研究噴嘴流場的穩定流動狀態，故在計算時采用穩態求解，獲取穩態計算結果。求解類型選用適合一般中高速流動的壓力基求解器。空氣考慮為可壓縮的理想氣體，系統的能量方程默認打開。湍流方程選用Spalart-Allmaras模型，是專為航空航天應用而設計的一種單方程模型[15]。求解方法和求解控制主要采用系統默認值，亞松弛因子根據實際計算的收斂性進行實時調整。

3 結果分析

由于大部分棉流處于靠近輸棉通道中心位置，因此對外部空氣流場域40 mm截面位置(圖4所示截面位置)，即輸棉通道中心截面位置的平均速度V1和最大速度V2進行分析，作為對噴管性能優劣的評判指標之一。并對噴管計算域入口的質量流率(Q)進行監測，以尋求能耗小，綜合性能相對較優的噴管結構。原始噴管在外部空氣流場域40 mm截面位置的平均速度V1和最大速度V2分別為177.0和309.0 m/s，入口的質量流率Q為9.133 g/s。

圖4 外部空氣流場域40 mm截面位置及速度云圖

3.1 上擴口噴嘴

采用不同參數的上擴口噴嘴噴管的截面速度及入口質量流率數據結果如表1所示。

由表1可看出，采用上擴口噴嘴能夠顯著提高氣流速度，但相應的耗氣量也隨之增大；當H1=0.3 mm，A=4.4 mm時截面位置最大速度V2和入口質量流率Q均為最小，其相對于原始噴管，入口質量流率增大3.3%，截面平均速度和最大速度分別提升21.6%和4.3%；當H1=1.0 mm，A=4.4 mm 時，截面平均速度及最大速度達到最大，但入口質量流率不是最大，其相對于原始噴管，入口質量流率增大10.6%，截面平均速度和最大速度分別提升33.4%和12.9%。

表1 上擴口噴嘴噴管截面速度及入口質量流率

為研究剔除噴管在外部空氣流場域速度的變化規律，對外部空氣流場域40 mm截面中心線位置的速度曲線以及內、外側噴嘴的速度衰減曲線進行分析。

上擴口高度H1=1.0 mm時，在外部空氣流場域40 mm截面中心線位置的速度分布曲線如圖5(a)所示；在外部空氣流場域內、外側噴嘴的速度衰減曲線如圖5(b)、(c)所示，其他3組不同擴口高度速度趨勢相近。

圖5 上擴口噴嘴噴管H1=1.0 mm時速度曲線

由圖5(a)可看出，上擴口噴嘴噴管速度在噴嘴位置大于原始噴管，其他位置速度分布曲線基本與原始噴管重合。

外部空氣流場域噴嘴的速度衰減曲線分為2段，分別為波動段和衰減段，在25 mm之前為波動段。由圖5(b)、(c)可看到，在波動段，上擴口噴嘴噴管的速度波動大于原始噴管，在內側噴嘴的速度波谷位置遠小于原始噴管，且隨著H1的增大，這種趨勢隨之增大。在衰減段中，從40 mm位置開始，不同擴口直徑的速度衰減曲線開始分離，其中，當H1=1.0 mm時，噴管速度分離最為明顯。不同擴口高度中，A=4.0 mm時的速度衰減最慢，噴管速度始終最大。綜合比較，在不同上擴口高度中，擴口直徑為A=4.0 mm時噴管性能相對最優。在考慮能耗問題中，可使用較小的擴口高度，如H1=0.3 mm，A=4.0 mm 時，噴管截面平均速度和最大速度分別提升22.0%和4.3%，入口質量流率增大4.9%。同時，剔除噴管在外部空氣流場域中的速度衰減曲線與文獻[10]中速度衰減曲線規律表現出較好的一致性，驗證了仿真結果的有效性。

3.2 下擴口噴嘴

采用不同參數下的擴口噴嘴噴管的截面速度及入口質量流率數據結果如表2所示。

表2 下擴口噴嘴噴管截面速度及入口質量流率

由表2可知，下擴口噴嘴噴管具有低于原始噴管的耗氣量，截面最大速度也有所減小，但截面平均速度大于原始噴管。當H2=1.0 mm，B=3.6 mm時，下擴口噴嘴噴管的截面平均速度最大，且入口質量流率達到最小，相比原始噴管減少0.17%，截面平均速度增大11.6%，截面最大速度下降3.3%。

下擴口高度H2=1.0 mm時，在外部空氣流場域40 mm截面中心線位置的速度分布曲線如圖6(a)所示；在外部空氣流場域內、外側噴嘴的速度衰減曲線如圖6(b)、(c)所示，其他3組不同擴口高度速度趨勢相近。

圖6 下擴口噴嘴噴管H2=1.0 mm時速度曲線

由圖6(a)可知，除H2=1.0 mm，B=3.6 mm時，在外側噴嘴位置速度高于原始噴管外，其余下擴口噴嘴噴管在噴嘴位置速度均小于原始噴管。由圖6(b)、(c)知，在波動段，相比于上擴口噴嘴噴管速度更小，且隨H2的增大，波谷速度也隨之減小，其中，H2=1.0 mm，B=4.0 mm噴管下降最為劇烈。在衰減段，速度的衰減小于原始噴管，并在40 mm位置之后，速度逐漸大于原始噴管，這種趨勢隨H2的增大而增大，且在外側噴嘴位置更為明顯。綜合比較，下擴口噴嘴噴管噴嘴位置的速度在外部空氣流場域40 mm之前低于原始噴管，之后逐漸大于原始噴管，并且入口質量流率有所降低，截面平均速度始終大于原始噴管，在仿真實驗中，截面平均速度最大提升11.6%。

3.3 錐形噴嘴

采用不同參數的錐形噴嘴噴管的截面速度及入口質量流率數據結果如表3所示。

由表3可知，錐形噴嘴噴管具有較大的速度和入口質量流率，均隨C的增大而增大，且質量流率為線性增加。當C=4.4 mm時速度增大的幅度降低，所以C=4.0 mm時，經濟效益最高，其相對于原始噴管，截面平均速度增大26.7%，截面最大速度增大7.6%，入口質量流率增大15.6%。

表3 錐形噴嘴噴管截面速度及入口質量流率

在外部空氣流場域40 mm截面中心線位置的速度分布曲線如圖7所示。在外部空氣流場域內、外側噴嘴的速度衰減曲線與上擴口噴嘴噴管相近。

圖7 錐型噴嘴噴管截面中心線位置的速度分布曲線

由圖7可知，錐形噴嘴噴管在外部空氣流場域 40 mm 中心線位置速度分布在波峰位置大于原始噴管速度分布，內側噴嘴位置更為明顯。錐形噴嘴噴管在外部空氣流場內噴嘴速度衰減曲線與上擴口噴嘴噴管相似，故不再給出。C=4.0 mm和C=4.4 mm 時，速度衰減曲線基本重合，且在衰減段優于原始噴管；C=3.6 mm時，速度衰減較快，在外部空氣流場內55 mm位置開始，速度低于原始噴管。綜合之下，在錐形噴管中，C=4.0 mm時，性能相對最佳。

3.4 矩形噴嘴

不同長寬比的矩形噴嘴噴管的截面速度及入口質量流率數據結果如表4所示。

表4 矩形噴嘴噴管截面速度及入口質量流率

由表4可知，矩形噴嘴噴管相對于原始噴管截面平均速度下降，截面最大速度和入口質量流率均增大，且不同長寬比的矩形噴嘴噴管相差較小，K=2時，截面平均速度下降5.2%，截面最大速度增加2.8%，入口質量流率增加0.3%。

在外部空氣流場域40 mm中心線位置，矩形噴嘴噴管的速度分布在波峰位置略大于原始噴管的，趨勢與其他優化噴嘴噴管速度分布近似，但在其他位置基本重合于原始噴管的速度分布，且當K為2時，速度分布在波谷位置低于原始噴管的速度分布；矩形噴嘴噴管的外部空氣流場域內側噴嘴位置速度衰減曲線與原始噴管基本重合，在外側噴嘴位置速度只略大于原始噴管，因此，矩形噴嘴噴管相對于原始噴管并沒有較大提升。

4 結 論

針對CS808型異纖分揀機剔除噴管噴嘴，分別采用上擴口噴嘴、下擴口噴嘴、錐形噴嘴、矩形噴嘴4種不同噴嘴結構及其不同參數進行仿真分析，得到如下結論。

1)上擴口噴嘴噴管對于提升剔除速度有很好的效果，與擴口高度成正相關，但相應地將提高能耗。在目前仿真實驗中，截面平均速度和最大速度分別較原噴嘴噴管提升33.4%和12.9%。在不同的擴口高度中，擴口直徑為4.0 mm時相對最優；且較小的擴口高度入口質量流率更小，更節能。

2)較原噴嘴噴管，下擴口噴嘴噴管入口質量流率和截面最大速度均下降，但截面平均速度有所增大，在仿真實驗中，截面平均速度最大提升11.6%；在外部空氣流場的下半部分速度高于原始噴管。

3)錐形噴嘴噴管入口質量流率隨噴嘴入口直徑的增大線性增加；在考慮經濟效益情況下，C=4.0 mm 時性能相對最佳，與原噴嘴噴管相比其截面平均速度增大26.7%，截面最大速度增大7.6%，入口質量流率增大15.6%；在噴嘴位置的速度衰減曲線與上擴口噴嘴相近，但在截面中心線位置速度分布優于上擴口噴嘴噴管。

4)矩形噴嘴噴管截面平均速度小于原始噴管，截面最大速度和入口質量流率只略有增大，因此，矩形噴嘴噴管對于提升剔除噴管性能沒有明顯的效果。