基于CFD的细纱机吸棉笛管流场分析与改进优化

徐晔 韩冬桂 刘芳 燕怒

摘 要：细纱是纺纱生产的最后一道工序，其清洁系统性能的高低对纱线质量有着重要影响。针对吸棉笛管工作效率不足问题，基于计算流体动力方法（CFD），采用三维κ-ε湍流模型，利用Ansys Fluent软件对吸棉笛管内腔气流场进行了仿真计算。结果表明：现有吸棉笛管中x方向运动气流主要集中于靠近后壁面区域，通过吸口的气流垂直冲击壁面后造成较大的气流阻滞区域和气流涡流区域。采用不超过26°角度导流孔对气流场有一定的改善，增加了气流向中间尾管x方向分量速度，提高了流出尾管气流流量，减少了气流垂直冲击壁面造成的动能损失。

关键词：吸棉笛管；气流场；数值模拟；CFD；倾角

中图分类号：TS112.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）04-0083-05

Abstract：Fining yarn is the last process of spinning yarn. The performance of cleaning system plays a great role for yarn quality. For the low working efficiency of suction tube， Ansys Fluent software was used to conduct simulation of airflow field of cotton suction tube by computational fluid dynamics method （CFD） and 3D k-ε model. Results indicate that the movement of airflow in the x direction mainly concentrated near the rear wall area. The larger airflow blocking area and airflow swirl area were caused after the airflow through the suction vertically impacts the wall. When the diversion hole with the angle no greater than 26° was applied， the airflow field was improved to certain degree， and x direction component speed of air flow towards the middle tail tube was accelerated. In addition， outflow of tail air increased， and the kinetic energy loss caused by the vertical impact wall decreased.

Key words：suction tube； airflow field； numerical simulation； CFD； angle of inclination

细纱是纺织工序中关键的一步，其产出的纱线质量直接关系到成品纺纱的品质好坏[1]。纱线在纺纱过程中被牵伸、加捻、卷绕，纤维在受到加捻外力和相互卷绕摩擦力中容易受到损伤，产生断头、杂屑、飞花[2]。吸棉笛管在高压风机提供负压动力下，对加捻工作区域提供稳定的吸风气流如图1所示。但是在实际生产中，通常一台细纱机左右两边各有数百个锭子，两侧吸棉笛管一字排开，与中央风管相应部位连接。由于较长的中央风管造成负压部分损耗，存在着中央风管末端处相对于始端供给吸棉笛管的负压减小问题，进而使得管内吸入空气流量下降。这导致了吸口堵塞和断头不能及时被吸走，出现纤维在皮辊、罗拉缠绕现象[3-4]。结构对吸棉笛管内气流流动有着重要的影响。现在普遍使用的吸棉笛管设计年代较早，当初设计时由于条件所限对管空腔内空气运动状态认识和分析不足，存在需要改进完善的空间。近年来国内外如立达机械等对吸棉管结构做出了不同的改进[5-6]，但是对管内气流场特性的研究较少。本文以某型号细纱机清洁系统的吸棉笛管作为研究对象，计算模拟出吸棉笛管的内腔气流运动状态，能够观察到不同设计结构的流场特性，获得任意位置的速度和流量等参数。通过分析气流流场分布状况及特性，减小流场中阻滞区域。结构优化后的吸棉笛管在保持与优化前负压条件和吸风性能不變的基础上只需较小的负压条件，能够减小始末端吸棉管吸风流量差距，保证纱线质量一致性。

1 吸棉笛管及流域模型建立

1.1 吸棉笛管部件基本介绍

吸棉笛管位于细纱机前罗拉下，如图2（a）所示。

吸棉笛管是关于中心对称的细长空心体，正面有6个间距固定的吸棉孔，每个吸孔靠近前钳口，为相应的加捻区域提供吸风气流。后部有一尾管通过水平布置的中央风管与高压气泵相连接。整个管体是空心体，壁厚为2 mm。管体常用材料为铝合金材质。

1.2 前处理

首先使用Solidworks软件对吸棉笛管进行实体建模，忽略掉一些较小且不影响气流运动的特征，把模型以x-t格式保存，然后导出到Meshing网格模型划分软件中，通过Fill工具抽取内腔，建立管内腔几何模型，并将其与吸口附近外部扩展区域空间合并，作为计算气流区域的模型。特别的对与壁面接触的流体区域采用膨胀层方法划分，使其网格更加精细，同时得到结果更加真实[7]。因为Fluent采用有限体积法将待计算的区域划分为离散网格，网格的划分方法和数量对数值模拟结果有着显著影响[8]。最后对模型进行网格划分，最大网格尺寸为0.5 mm左右，最小网格尺寸为0.2 mm左右。本文采用四面体网格，体网格数量为41万左右，最终得到流体区域网格模型如图2（b）所示。将该空腔体网格导入到Fluent中进行模拟仿真。气体的流动遵循物理守恒定律。计算中遵循质量、能量、N-S方程、动量守恒方程[8]。

1.3 边界条件的设置

本模拟使用定常流动，假设空气为不可压缩气体，采用标准κ-ε湍流模型，流体粘性为1.81×10-5 kg/（m·s），密度为1.205 kg/m3。出口和入口均设定为压力边界条件，入口与大气通，环境温度为25 ℃，出口压力设置为-1 000 Pa[9]。

2 仿真计算与分析

2.1 气流场的轨迹与速度

如图2所示，把吸棉笛管6个吸口编号为A、B、C、D、E、F口。通过以上边界条件设置，数值模拟计算结果如图3和图4所示，在加捻纱线附近的空气被吸棉笛管的6个吸口吸入，垂直撞到管后壁面向两侧扩散，空气在内腔里向中心尾管运动再被汇集排出，气流轨迹主要集中于靠近吸棉笛管后壁面区域，在两吸口之间和后壁面附近伴随有涡流。由图4和图5可知，气流从外部通过吸口时速度最大，进入吸口后速度逐渐衰减，撞击后壁面后速度急剧减小，靠近吸管后壁的区域中流速较快，但远离后壁面的大部分区域流速较为缓慢。

2.2 内腔气流阻滞区域分析

值得注意的是吸棉笛管的主要功能是把吸入的空气向中间尾管汇集。以右半吸棉笛管为例，沿x轴正方向运动的快慢直接影响着尾管排出空气流量的多少，因此腔内气流x方向分量速度是本研究主要关注目标，是评价工作效率高低的评判指征。因此分析气流沿x方向分量速度正负分布图是判断吸棉笛管效率高低的重要方法。图6为x方向速度云图，可以观察到气流穿过吸口后垂直撞向后壁向两侧扩散，内腔底部形成数个气流阻滞区域带，阻碍了管内气流向尾管运动。如图7（a）所示，在管内腔气流流场中选取6个具有代表性的截面图。在图7（b）中x方向运动速度较大的气流主要集中于靠近吸棉笛管后壁面区域，而远离后壁面的中上部分运动较缓和。可见相同截面不同位置速度差别明显。截面⑤中间区域速度衰减明显，与左右区域差别较大，可知垂直气流的冲击干扰了气流沿x正方向运动。

如图8（a）所示，在吸口XY截面上取三条不同距离的平行直线。图8（b）在远离后壁面的线2、3位置上气流沿x方向运动的速度较为缓和。但是在靠近后壁的线1位置上x方向的速度呈大幅度正负交替变化。如图9所示在吸口附近和后尾管处存在有核心湍流区域。

综上所述：空腔上下不同区域中气流x方向运动速度差别较为明显。x方向速度较大区域主要集中于靠近后壁面附近。虽然在靠近后壁面区域中气流x方向速度较大，但是被垂直撞击于后壁面两侧扩散的气流所干扰呈正负变化，形成数个阻滞区域带，因而需要对其进行优化设计。

3 吸棉管结构优化

3.1 增加导流孔有助于流场优化

根据前面的仿真分析，垂直冲击的入射气流是靠近后壁面附近区域的气流速度较大且呈大幅度正负交替变化的主要原因。王辉等[10]在研究优化设计络筒机吸纱风道时，运用增加导向性管道的方法以减小对后壁面冲击和气流动能损失，在一定程度上印证了改变气流入射角度有助于提高气流在管内运输效率。通过增加导流孔改变气流入射角度，以增加的相对缓冲距离和x方向运动区域，减小气流阻滞区域和垂直撞击后壁面造成的动能损失。

3.2 模型建立与仿真分析

通过Solidworks建立加装导流孔后的参数化模型如图10所示，以方便及时对角度α修改后吸棉笛管模型自动更新。建模软件与Ansys Fluent关联后可以方便地计算改变参数后的模拟流量。

以倾斜角度为0、15、30、45（°），长度为12 mm的参数建立增加导流孔的吸棉笛管模型。图11为Y=10.9 mm处截面x方向速度云图。通过图11与图12比较会发现改变导流孔倾斜角度后，内腔流场状态有显著变化。靠近后壁面x正方向运动区域明显增大，且区域向正方向偏移。而x负方向运动区域（阻滞区域）明显缩小。证实了通过增加导流孔可以改变入射气流倾角，减小阻滞区域范围，从而增加吸棉笛管吸入气流流量。

由图13可知，吸棉笛管的气流量在一定范围内随着倾斜角度增大而提高，使得气流运动阻滞区域减小和管内流场得到优化。但是随着角度继续增大，当角度α大于26°时，随着孔倾斜角度的增大，可使吸棉笛管气流量减小。由于过大的导流孔角度，使吸入气流在孔口处运动方向急剧改变。气流冲击导流孔壁面的摩擦运动存在着动能损失。同时随着角度的增大，导致导流孔的横截面积随着减小（S=S原·cos α），这也是导致吸棉笛管气流流量下降因素之一。

在相同吸管结构下，尾管处设置负压的大小与吸管的流量存在正相关关系。随着尾管处负压减小，管内出口流量随之减小。通过改进结构，增加导流孔来改善管内流场状态和提高吸入流量。通过仿真对比，改进后增加22°导流孔的吸棉笛管在-870 Pa条件下流量为0.005 09 m3/s与原吸棉管在-1 000 Pa时的流量0.005 14 m3/s较为相近。达到了在较小负压条件下与始端位置吸棉笛管相近的吸棉效果。减小始末端吸棉笛管吸风性能差距，提高纱线产品一致性。

4 结 语

垂管内x方向运动气流较为集中于靠近后壁面区域。垂直入射气流和较小缓冲距是形成气流x负方向运动区域（阻滞区域）的主要原因。通过增加的導流孔改变入射流的倾角，可以显著得使靠近后壁面的气流x正方向运动区域明显扩大，同时向尾管处偏移，而x负方向运动区域（阻滞区域）明显缩小，这使得在倾角一定范围内的导流孔能提高吸棉笛管吸入流量。导流孔角度和长度等参数对流量结果的影响敏感度分析将在下一步研究完成。

参考文献：

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[8] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

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[10] 王辉，吴亚东，余文胜.自动络筒机吸纱风道的优化设计[J].棉纺织技术，2011（5）：18-20.