基于CFD的梳棉机滤尘管道的分析及结构改进

王永岩　杨蕾　曾春雷

摘要：采用三维不可压流体的Kepsilon湍流模型，基于计算流体动力学（CFD）方法，对梳棉机后上滤尘吸塑管道进行气流场分析。结果表明：原管道内存在一些湍流，增加了压力损失，造成除尘效率偏低。为此对该管道进行了结构改进设计，并做了进一步的数值模拟分析。经过对改进前后管道的CFD模拟结果的分析对比，总结出改进后的管道气流场分布更加合理。

关键词：梳棉机；滤尘吸塑管道；气流场；CFD；结构改进设计

中图分类号：TS112.2

文献标志码：A

文章编号：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

目前国内外梳棉机的研发水平层次都比较高，生产出来的梳棉机能够满足高端产量的要求，但在梳棉机的某些配套结构中还存在一些影响生条质量的问题[1]。梳棉机都配备有吸尘装置，梳棉机在梳理过程中产生的杂质、短绒若不能及时彻底的被吸尘管道清除，会对生条质量产生影响。该问题不仅降低了梳棉机的市场竞争力，也给纺织企业带来不必要的成本消耗。而以往梳棉机气流研究以刺辊处、锡林与道夫间的为多[23]，因此有必要对梳棉机吸尘系统进行气流场特性的研究[4]。为解决这一问题，以青岛纺织机械厂生产的FB1235型梳棉机为研究对象，运用计算流体动力学（CFD）方法，对FB1235型梳棉机后上滤尘吸塑管道的气流场特性进行模拟分析及管道的结构改进设计，加强对气流的控制与利用。

1试验

试验仪器：青岛纺织机械厂FB1235型梳棉机、皮托管测压仪、钻孔钻头。

试验过程：首先用钻孔钻头在FB1235型梳棉机的后上滤尘吸塑管道上钻孔，确定吸点的位置，保证吸点在气流流动平稳的直管段。然后，启动FB1235型梳棉机，稳定运行180 min达到正常工况。将风压皮托管测试端接在吸点位置，测量出吸点的压力和风速，测量10次取其平均值。测量结果如表1所示。

图2中显示，管道内压力出口的负压急剧衰减，最低负压值为-451 Pa，负压从入口到达出口后约损失了一半。管道弯曲处的压力值与实际试验测得的管道弯曲处的压力值-850 Pa比较近似，证明了图2压力云图中的压力变化情况与实际滤尘吸塑管道中的气流场压力变化趋势相吻合，验证了CFD模拟的可靠性。后上滤尘吸塑管道的弯角处负压衰减的较严重，该部分结构需要进一步的优化。

原梳棉机后上滤尘吸塑管道的改进前速度变化矢量图和湍流变化云图如图3和图4所示。图3表明，原梳棉机后上滤尘吸塑管道内气流场的流线分布紊乱，尤其在管道弯曲处流速较大。由伯努利方程可知，梳棉机后上滤尘吸塑管道内动能项增加会使压力能降低。由此可以推出，弯曲处流速增大会导致负压急剧损失，造成负压浪费。由图4显示，管道弯曲处形成了明显的湍流，而湍流会引起局部的流动损失，使得压力出口处负压降低，不利于有效地吸除棉层内的棉结短绒，影响生条质量。

3结构改进后的CFD模拟及结果分析

3.1后上滤尘吸塑管道的结构改进

由对原梳棉机后上滤尘吸塑管道的CFD分析可知，流动损失在很大程度上是由于较大尺度的湍流引起的。为此对该梳棉机进行了结构改进，结构改进原则是：在梳棉机滤尘吸塑管道安装布置允许的空间内最大程度地使管道结构平顺，避免大幅度的弯曲，从而保证管道内气流场分布均匀流畅，避免湍流的产生。

将梳棉机管道弯曲处的角度调整为140°左右，增大弯曲处的曲率半径，实现弯曲处管道的结构平顺过度。将改进后的梳棉机后上滤尘吸塑管道使用六面体单元进行网格划分后，生成79 945个单元，63 087节点。改进后的后上滤尘吸塑管道模型如图5所示。

3.2结构改进后的CFD模拟

将结构改进后的梳棉机后上滤尘吸塑管道三维模型导入Fluent中进行CFD模拟分析，设定模型入口条件不变，模型出口为压力出口。对改进后的滤尘管道的湍流情况（图6）与改进前（图4）进行对比分析。

从改进前后的滤尘吸塑管道的湍流云图对比可以看到，改进后的管道内湍流明显减少，气流场湍动能k减小，相对于原管道的湍动能k约降低了一个数量级，从而降低了因为湍流而引起的能量耗散。

在结构改进后的管道中任意选取中间截面，对其速度、压力进行分析。图7和图8是改进后的滤尘吸塑管道的速度矢量图和压力云图。

图7显示，梳棉机后上滤尘吸塑管道改进后，管道内部气流的流线分布更加流畅，无明显的流动分离，避免了湍流的产生。图8显示，负压从进口到出口的衰减较原滤尘吸塑管道变慢，不存在负压急剧迅速下降的现象，而到压力出口处的负压比原管道出口处约提高-100 Pa，增加了负压的利用率，有利于提高梳棉机滤尘吸塑管道的吸尘能力。

4结论

a）对滤尘后上滤尘吸塑管道进行CFD模拟分析，结果表明，CFD模拟的气流场与实际滤尘管道的气流场变化趋势相吻合；原梳棉机后上吸塑管道内的结构突变会产生湍流，浪费负压，引起局部的流动损失。

b）结构改进后的管道流线分布流畅，避免了湍流的产生。有利于减小压力损失和能量消耗，可以有效地提高梳棉机滤尘吸塑管道的吸尘能力。

参考文献：

[1] 夏春明.梳棉机后车肚吸风装置的改造[J].纺织机械，2013（1）：6-8.

[2] 费青.国内外高产梳棉机特征和发展分析研究（上）[J].现代纺织技术，2009，17（3）：58-62.

[3] 费青.国内外高产梳棉机特征和发展分析研究（下）[J].现代纺织技术，2009，17（4）：45-50.

[4] 韩贤国，孙鹏子，赵业平.梳棉机刺辊罩壳内气流静压力规律的研究[J].棉纺织技术，2009，37（9）：11-14.

[5] 丁欣硕，焦楠.Fluent14.5流体仿真计算从入門到精通[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2014.

[7] 王永岩，毕向阳.英汉双语有限元法电子教程[M].北京：科学出版社，2014：1-49.

（责任编辑：唐志荣）