基于CFD的溢流染色机J形储布槽流场分析

张孟杰张志欣任泉远昃向博

（1.济南大学 机械工程学院，济南 250022；2.济南元首针织股份有限公司，济南 250033）

基于CFD的溢流染色机J形储布槽流场分析

张孟杰1张志欣1任泉远2昃向博1

（1.济南大学 机械工程学院，济南 250022；2.济南元首针织股份有限公司，济南 250033）

建立溢流染色机的数字样机，借助计算流体动力学仿真软件，针对J形储布槽进行流场模拟仿真分析。结果表明：J形储布槽入口压强、流速分布较为均匀稳定；折弯处上边沿压强低、流速快、温度较低，下边沿压强高、流速低、温度较高，同时为溢流染色机的J形储布槽结构设计及优化提供理论参考。

溢流染色机 计算流体动力学 J形储布槽 流场分析

溢流染色机一般由机体、喷嘴、提布罗拉、J形储布槽、集水槽、掉布自停机构、摆布机构、计量槽、循环泵、热交换器、自动控制系统等部分组成，其中，J形储布槽是溢流染色机中储存坯布或织物的重要功能部件，其主要作用是靠重力和水流冲力或挤压推动织物前移[1]。J形储布槽结构和应用功能是保证满足织物在J形储布槽中折皱少、运行流畅、摩擦小等要求的重要影响因素，因此，对J形储布槽内部流场分析研究十分必要。

随着CFD（计算流体动力学）仿真技术的不断发展，很多研究人员将其应用到溢流染色机的研究中。张朝阳[2-3]等人运用CFD软件Fluent研究了圆喷嘴内流场对气鼓现象的影响；杨利利[4]等人运用CFD软件Fluent对圆喷嘴内温度场分布进行了相关研究。本文针对J形储布槽，利用CFD仿真软件研究其内部流场分布情况，为此类溢流染色机的J形储布槽结构设计优化提供一定的参考依据。

1 几何模型

为了探讨J形储布槽内部流场分布，对溢流染色机内部结构进行简化处理，图1为溢流染色机流道结构简化三维几何模型，主要流通区域包括喷嘴、摆布机构（横摆布机构和纵摆布机构）、J形储布槽等。喷嘴与摆布机构之间通过弯管连接，染液流通喷嘴以及J形储布槽变化较多，其流场分布变化往往对染色机的工作性能有一定影响。该溢流染色机选用J形储布槽，即J形储布槽底部不含直线段，其储布槽底部几何形状为圆弧。

图1 溢流染色机流道结构简化模型

2 流场仿真前处理

2.1 数学模型

溢流染色机内部染液流动过程受物理守恒定律制约，其流体流动和传热的基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[5]。流体为不可压缩流动，密度为常数，其能量守恒方程[6]为：

式中，p为流体密度(矢量)；v—为流体速度矢量；T为流体温度；λ为流体的导热系数；CP为流体比热容；St为粘性耗散项。

2.2 边界条件设置

采用前处理软件GAMBIT对三维几何模型进行划分网格以及边界条件设定，图2为溢流染色机模拟计算网格图，总计算网格数为200万。本文选取VOF多相流模型为溢流染色机流道内气液两相流分析模型，控制方程采用三维、黏性、不可压缩的雷诺平均k-方程，湍流方程采用标准的k-模型[7]。在模拟仿真时，溶液入口边界条件为速度入口，设置参数为热流体温度、速度、湍动能和湍流耗散率，气相入口边界条件为速度入口，设置参数为空气温度、湍流强度、入口尺寸，出口边界件为outflow，壳体为导热壁面，其导热系数取50W/(m.c)。根据实际生产中测量数据，模拟仿真过程中染液的物理性质参数如表1所示。

图2 溢流染色机模拟计算网格图

图3 J形储布槽中间截面压强分布云图

图4 J形储布槽中间截面速度分布云图

表1 染液物理性质参数

3 流场仿真后处理

为了更好地获得J形储布槽内部的气液两相流流场分布情况，在后处理过程中将喷嘴、摆布结构、机体外壳等进行隐藏处理，通过Surface选项创建J形储布槽中间截面，从而通过中间截面观测J形储布槽内部的流场分布情况。

3.1 压强分布情况

图3中（b）图为染液进口速度为6.5m/s时，J形储布槽中间截面的压强分布云图，从结果可得，在J形储布槽的折弯上边沿处的压强为负值，而在折弯的下边沿处压强为正值，且压强较高；在J形储布槽的入口处及向下未到折弯的地方压强分布较为均匀，在将要到达折弯的地方压强开始有所变化；沿着J形储布槽的上边沿压强开始减小，沿着J形储布槽的下边沿压强开始增大，且在折弯处J形储布槽的压强梯度变化较大。

图3中（a）图为染液进口速度为5.5m/s时，J形储布槽中间截面的压强分布云图，从结果可得，J形储布槽内整体压强分布也无明显变化，但相对于染液进口速度为6.5m/ s时J形储布槽内压强分布情况，J形储布槽压强分布在接近J形储布槽入口处即开始变化，有了明显的压力梯度变化，但就整体的压强分布情况而言，压强梯度变化不明显。

图3中（c）图为染液进口速度为7.5m/s时，J形储布槽中间截面的压强分布云图，从结果可得，J形储布槽内整体压强分布无明显变化，但相对于染液进口速度为6.5m/s时J形储布槽内压强分布情况，J形储布槽折弯上边沿处的压强略微减小，而在折弯的下边沿处压强略微增大，即J形储布槽内的压强梯度变化增大；且在折弯处上边沿压强负值分布区域变小，下边沿压强最大值分布区域也减小，压强梯度变化更加明显。

3.2 速度分布情况

图4中（b）图为染液进口速度为6.5m/s时，J形储布槽中间截面的速度分布云图，从结果可得，从J形储布槽的入口往下的竖直部分，染液以稳定的速度向下流动，且流动的方向稳定；在J形储布槽折弯处，染液开始随着J形储布槽结构形状的改变在速度和流向上都发生了变化；在J形储布槽的上边沿，染液的流速迅速加快且方向随着上边沿迅速变化，在J形储布槽的中心位置，染液仍然按照与入口时基本相同的速度进行流动，只是方向发生变化，在J形储布槽的下边沿，染液的速度下降，且方向也随着下边沿发生变化；整体看来，在J形储布槽的折弯处，由其上边沿到下边沿染液的速度由大变小，幅度从9.32m/s到3.99m/s逐渐变小；因J形储布槽的出口高度小于入口高度，因此，染液在J形储布槽的出口处仍然保持较高的速度，但出口的速度要比折弯处的速度小，并且在出口处染液有向J形储布槽下边沿流动的趋势。

图4中（a）、（c）图为染液进口速度分别为5.5m/s、7.5m/s时，J形储布槽中间截面的速度分布云图，从结果可得，两速度下J形储布槽内染液的流场结构分布同染液流速为6.5m/s时染液流场结构相比无明显变化，但当染液速度为5.5m/s时，J形储布槽内染液的速度梯度变化相对较小，而当染液速度为7.5m/s时，J形储布槽内染液的速度梯度较大。相同之处是在J形储布槽折弯下边沿流速都较小，在折弯处的上边沿流速较大。这也使织物有在下边沿堆积的趋势，即同时进入J形储布槽的织物会在不同的时间流出J形储布槽。

3.3 温度分布情况

图5为溢流染色机中间截面温度分布云图，从结果可得，喷嘴处的温度相对其他结构部件温度较高，且温度梯度也较大，在远离喷嘴的区域，温度相对喷嘴较低，且温度梯度也较小。主要是因为机体内部空气的流动，机体壁面与外界低温环境的热量交换。摆布机构在染色过程中的摆动产生了少量热量，摆布机构的摆动同时加剧了机体内空气的流动，因此产热与散热基本抵消，而J形储布槽在工作过程中没有运动，也没有产生热量，其温度是染液传递到J形储布槽的热量导致的，相对喷嘴与摆布机构，其温度相对较低。

图5 染色机中间截面温度分布云图

从上述仿真结果可得，J形储布槽底部压力较高，流速较低，温度较高，J形储布槽顶部压力较低，流速较高，温度较低。这种温度分布情况可能是因为J形储布槽底部的较高压力使流速降低，导致织物在J形储布槽底部堆积，从而产生热量集中，这部分热量又传递到机体外壳的底面，导致底面温度较高。而在J形储布槽的顶部低压力使流速变大，织物快速向前运行并带走部分热，从而温度相对较低。

4 结语

J形储布槽入口压强分布较为均匀稳定J形储布槽折弯处压强变化较为明显，从上边沿到下边沿压强值逐渐增大，随着染液流速的增加，压强梯度变化越明显。

J形储布槽入口流速分布较为均匀稳定J形储布槽折弯处流速变化较为明显，从上边沿到下边沿流速逐渐减小，随着染液流速的增加，速度梯度变化越为明显。

溢流染色机流道结构中，喷嘴内部温度较高，J形储布槽温度较低；J形储布槽底部温度较高，顶部温度较低。

J形储布槽内部压强、流速分布情况与温度场分布相互对应，验证了流场仿真分析的可靠性。

随着计算流体动力学仿真技术的不断提高及数字模型的进一步完善，其仿真结果与实际工况之间的误差将进一步缩小。

[1]弓志峰.流体染色机的五大动力系统[J].针织工业，2005，（11）：46.

[2]张朝阳，昃向博，杨学峰，等.圆喷嘴内流场对气鼓现象的影响与结构改进[J].济南大学学报：自然科学版，2011，（1）：98-102.

[3]昃向博，张朝阳，杨学峰，等.溢流染色机圆喷嘴流场建模与涡流场仿真分析[J].纺织学报，2011，（1）：129-134.

[4]杨利利，昃向博，宋强，等.溢流染色机喷嘴热分布与结构关系分析[J].现代制造技术与装备，2012，（6）：1-3.

[5]周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实例分析[M].北京：中国水利水电出版社，2010．

[6]付磊，曾燚林，唐克伦，等.管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟[J].压力容器，2012，（2）：36-41.

[7]李鹏飞，徐敏一，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M].北京：人民邮电出版社，2011.

Field Analysis of J-shaped Storage Cloth Tank of Overflow Dyeing Machine Based on CFD

ZHANG Mengjie1,ZHANG Zhixin1,REN Quanyuan2,ZE Xiangbo1
(1.School of Mechanical Engineering, University of Ji nan, Jinan 250022；2.Jinan Yuanshou Knitting Co., Ltd.,Jinan 250033)

The digital prototype of overflow dyeing machine is established.The field simulation analysis of J-shaped storage cloth tank is use d with the CFD simulation software.The results showed that:The velocity distribution and pressure distribution of J-sha ped storage cloth tank inlet is uniform and stable;the character of upper edge of the bend area is low pres sure,fast flow rate,low temperature,and the character of under edge of the bend area is high pres sure, low flow rate,high tem perature. It provides theoretical references for J-sha ped storage cloth tank st ructure design and optimization of overflow dyeing machine.

overflow dyeing machine,CFD,J-shaped storage cloth tank,field analysis

山东省科学技术发展计划项目（2013GGX10321）。