黃曉東,向 忠,錢 淼,王景漢

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

地毯定型機(jī)是印染行業(yè)廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備，其主要用于印染生產(chǎn)過程中經(jīng)前處理地毯的烘燥、熱定型等工作[1].烘房是地毯定型機(jī)的重要組成部分，每臺(tái)定型機(jī)由若干節(jié)烘房連接而成.每節(jié)烘房配有一個(gè)固定出口，用于烘房內(nèi)熱空氣的排出.當(dāng)烘房內(nèi)氣流流場分布不均勻，甚至出現(xiàn)低速、零速區(qū)域時(shí)，烘房內(nèi)的濕度也將分布不均勻，致使烘房內(nèi)整體濕度不斷上升，空氣濕度接近并趨向飽和，很大程度上降低了地毯的烘燥效率.因此，烘房內(nèi)流場的均勻性直接影響地毯定型機(jī)的生產(chǎn)效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量.

目前，國內(nèi)外針對(duì)地毯烘房的研究主要集中在印染熱定型機(jī)風(fēng)道對(duì)定型效率的影響、定型機(jī)廢棄熱的回收系統(tǒng)、氣流烘燥技術(shù)以及涉及烘房的熱工計(jì)算.徐軍等對(duì)烘房風(fēng)道參數(shù)化建模仿真分析得出，當(dāng)風(fēng)道的錐度為6°、擋板角度為120°時(shí)，風(fēng)道流場更利于烘燥與熱定型[2].宋樹權(quán)等針對(duì)松弛熱定型機(jī)腔內(nèi)流場及溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為開孔率影響腔內(nèi)溫度均勻性分布,開孔率的增大有利于緩解結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中[3].丁曉雄等對(duì)目前紡織印染企業(yè)熱定型機(jī)的能耗大、能源利用率低等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)熱能回收效率的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4].王海萍等設(shè)計(jì)了一種熱定型機(jī)余熱再利用的換熱器，并考量了該換熱器的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[5].Bonis M V D等通過實(shí)驗(yàn)研究了氣流沖擊烘燥下的濕基材，得到了烘燥過程中水分、熱量的分布規(guī)律[6].Sousa L H C D等對(duì)粗棉布的烘燥過程進(jìn)行分析，研究得到了棉布烘燥過程的水分分布曲線及影響烘燥過程的因素[7].姜蓉分析了烘房內(nèi)工作溫度、組成材料和環(huán)境溫度等對(duì)隔熱門的溫度影響[8].王強(qiáng)華對(duì)印染行業(yè)烘房設(shè)備的熱量分布進(jìn)行了較全面系統(tǒng)的分析與計(jì)算[9].

鑒于地毯烘房內(nèi)流場均勻性的重要性，本文將設(shè)計(jì)4種不同開口位置的烘房模型，基于Fluent軟件對(duì)烘房內(nèi)流場進(jìn)行仿真模擬，分析造成流場不均勻的原因，通過對(duì)比得出4種不同烘房中最優(yōu)的結(jié)果，為地毯定型機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒.

1 地毯烘房的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示為地毯定型機(jī)烘房的工作原理.地毯烘房在生產(chǎn)過程中所需要的熱量由熱空氣提供，位于烘房側(cè)邊的熱源將抽入的常溫空氣迅速加熱，熱空氣在風(fēng)機(jī)輸送作用與風(fēng)量分配器的風(fēng)量調(diào)節(jié)作用下，從烘房的下端分別進(jìn)入上下風(fēng)道，然后通過風(fēng)道中打開的噴嘴，穩(wěn)定地噴射到以一定速度進(jìn)入烘房的地毯上，實(shí)現(xiàn)對(duì)地毯的烘燥和定型.攜帶著大量水分的濕熱廢氣與熱交換機(jī)構(gòu)充分接觸后，通過烘房的出口排到外部大氣中[10].

圖2 4種不同開口位置的烘房模型

本文設(shè)計(jì)4種不同出口開取位置的烘房模型，通過對(duì)比仿真模擬結(jié)果，得出影響流場分布均勻性的因素，從而得到較優(yōu)的烘房模型.這4種不同開口位置的烘房模型(圖2)為：①實(shí)際生產(chǎn)中廣泛使用的是只有頂部開口的模型a；②頂部沒有開口，側(cè)面開取一個(gè)出口的模型b；③頂部沒有開口，側(cè)面對(duì)稱開取出口的模型c；④頂部開口并且側(cè)面有著對(duì)稱出口的模型d.

設(shè)計(jì)完成4種針對(duì)不同出口開取位置的烘房模型后，分別在三維建模軟件中建立模型.4種模型的內(nèi)部風(fēng)道構(gòu)成、地毯的設(shè)置位置等保持一致.模型建立后導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分.

地毯烘房的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.烘房內(nèi)部風(fēng)道如圖3所示.

圖3 烘房內(nèi)部風(fēng)道示意圖

表1 烘房主要結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

為了分析不同出口位置對(duì)流場均勻性的影響，需要保證流入地毯烘房的氣體流量的一致性.由流體連續(xù)方程可得：

Q=VA

(1)

式中：Q為體積流量；V為流速；A為過流面積.在入口面積不變的情況下，相同的入口流速使得流入烘房的總流量相同.這是正確進(jìn)行仿真分析的前提.

2 基于Fluent的仿真建模

2.1 計(jì)算模型

本文主要模擬分析的是烘房內(nèi)氣流流場，不考慮溫度的影響.

根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式：

(2)

式中：Re為流體雷諾數(shù)；ρ為流體密度；vm為流體平均流速；d為管道當(dāng)量直徑；μ為流體黏性系數(shù).可以估算出流體的速度取較小值1 m/s時(shí)，雷諾數(shù)Re=5 477.據(jù)此可確定地毯烘房內(nèi)的流場為湍流.將烘房內(nèi)空氣看成不可壓縮的湍流模型，理想化處理后，選用標(biāo)準(zhǔn)k-e方程為湍流模型.

烘房內(nèi)流場數(shù)值計(jì)算所包含的控制方程有：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、湍動(dòng)能控制方程和湍動(dòng)耗散率控制方程.

(1)質(zhì)量守恒方程：

(3)

式中：u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量.

(2)動(dòng)量守恒方程：

Fx

(4)

Fy

(5)

+Fz

(6)

式中：t為時(shí)間；p為流體微元體上的壓力；τxx、τxy、τxz為作用在微元體表面上黏性應(yīng)力τ在x、y、z方向上的分量；Fx、Fy、Fz為微元體上的體力.

(3)湍動(dòng)能控制方程：

(7)

(4)湍動(dòng)耗散率控制方程：

(8)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率；μt為湍流黏性系數(shù)；σk、σs、C1ε、C2ε、C3ε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn).

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

地毯烘房模型的入口氣流采用速度進(jìn)口邊界條件，分析計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)出的風(fēng)道出口速度進(jìn)行設(shè)置；地毯烘房模型的出口氣流采用壓力出口邊界條件，烘房外部的氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即表壓設(shè)置為0.由于地毯在烘燥過程中氣流穿透性不強(qiáng)，因此地毯模型外壁可視為默認(rèn)的壁面條件，烘房的外壁同樣采用壁面條件.其中速度與壓力耦合采用SIMPLE算法[11]，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率以及動(dòng)量離散采用對(duì)六面體網(wǎng)格具有更高精度的二階迎風(fēng)格式.

模型網(wǎng)格在Ansys Workbench的Meshing模塊中進(jìn)行劃分，將模型全部劃分為六面體網(wǎng)格.六面體網(wǎng)格在計(jì)算精度、變形特性、劃分網(wǎng)格數(shù)量及再劃分次數(shù)等方面比四面體網(wǎng)格具有明顯的優(yōu)勢(shì).由于烘房入口處速度較大，入口與壁面距離較小，為了保證計(jì)算的精度，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)入口與地毯之間的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密.所劃分的地毯烘房整體網(wǎng)格和截面局部網(wǎng)格分別見圖4、圖5.

圖4 烘房整體網(wǎng)格

圖5 截面局部網(wǎng)格

3 仿真結(jié)果分析

如果烘房內(nèi)的流場流速不均勻，將影響烘房內(nèi)濕度的分布，對(duì)地毯的烘燥效率有著重要的影響，而烘房開取出口的不同位置關(guān)系著烘房內(nèi)的氣體流場，因此對(duì)不同出口位置的烘房流場進(jìn)行對(duì)比分析尤為重要.在仿真的烘房模型中，地毯沿z軸方向前進(jìn)，烘房內(nèi)部流場的均勻性要求主要是沿著z軸的截面內(nèi)流速差異要小.

(1)圖6所示為模型a在z=0截面上的流速云圖.從圖6可以看出，模型a流場內(nèi)高速區(qū)域在烘房頂端靠近出口位置，而且存在兩個(gè)零速區(qū)域.由于地毯的透氣性較差，在實(shí)際烘燥定型過程中，烘房上、下部氣流之間不存在直接影響，烘房下部流場有低速甚至零速區(qū)域，整體流場流速分布非常不均勻.在低速、零速區(qū)域，氣體流動(dòng)處于相對(duì)停滯狀態(tài)，氣流攜帶的大量水分無法被排出，將加劇烘房內(nèi)的濕度分布不均勻，最終導(dǎo)致地毯的烘燥效率低下，甚至造成地毯局部區(qū)域無法烘燥.這對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)是非常不利的.因此，需要基于改變烘房出口位置的方法改善烘房內(nèi)氣體的流場分布，提高烘燥效率.

圖6 模型a在z=0截面上的流速云圖

(2)圖7所示為模型b在z=0截面上的流速云圖.從圖7可以看出，氣流的高速區(qū)在烘房的下端出口處，風(fēng)道上方出現(xiàn)了大面積的低速以及零速區(qū)域.地毯的直接透氣性比普通織物差，烘房下部氣流很難影響到上部.烘房下部離出口越遠(yuǎn)流場速度下降越快，同樣出現(xiàn)了較大面積的低速、零速區(qū)域，而最遠(yuǎn)端部分受烘房側(cè)面氣流影響存在局部較強(qiáng)氣流，導(dǎo)致局部區(qū)域流場流速差異較大，大量水分在低速、零速區(qū)域堆積，致使烘房內(nèi)濕度嚴(yán)重不均.

對(duì)比模型a與模型b可知，這兩種地毯烘房的流場均勻性都較差，地毯的烘燥效率受到了限制.

圖7 模型b在z=0截面上的流速云圖

(3)圖8所示為模型c在z=0截面上的流速云圖.從圖8可以看出，在烘房的兩側(cè)對(duì)稱地開取出口，沒有在頂端開口，烘房的下部流場均勻性得到了大幅度的改善.

由于烘房的前后距離較長，單一出口無法使較長區(qū)域內(nèi)流場流速穩(wěn)定均勻.如果僅在其中一側(cè)開取出口，氣體流速將沿著遠(yuǎn)離出口的方向衰減.然而，在烘房頂部不設(shè)出口的情況下，烘房風(fēng)道的上部會(huì)出現(xiàn)較大的低速、零速區(qū)域.這是由于地毯透氣性較差，而且風(fēng)道外壁對(duì)氣流有阻隔作用，烘房上、下部氣流之間影響很小，雖然烘房的下部流場得到了大幅度改善，但是上部仍存在流場不均勻區(qū)域，最終會(huì)限制地毯的烘燥效率.

圖8 模型c在z=0截面上的流速云圖

圖9 模型d在z=0截面上的流速云圖

(4)圖9所示為模型d在z=0截面上的流速云圖.從圖9可以看出，在烘房的兩側(cè)開取出口，同時(shí)在頂部開了一個(gè)出口，烘房兩側(cè)的對(duì)稱出口使得烘房下部流場較為均勻，幾乎不存在不規(guī)則的低速、零速區(qū)域，而烘房頂部的出口可以保證烘房風(fēng)道上方流場不會(huì)出現(xiàn)大范圍的低速、零速區(qū)域.雖然，模型d也存在部分流場低速區(qū)，但較之前的模型a、模型b和模型c，其整體流場的均勻性得到了較大改善，沒有出現(xiàn)大面積的低速、零速區(qū)域，氣流中水分在烘房內(nèi)充分流動(dòng)，并沿著出口排出烘房，有利于對(duì)地毯的烘燥定型.對(duì)比4種現(xiàn)有的烘房模型，這種烘房出口開取方案的流場均勻性最佳.

4 結(jié) 論

(1)在烘房的頂部或者前后單側(cè)開取出口，烘房內(nèi)流場分布不均勻，由于地毯直接透氣性比普通織物差，地毯烘房內(nèi)上、下兩個(gè)不同的流場區(qū)域關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，很大程度上限制了地毯的烘燥效率.

(2)在烘房兩側(cè)對(duì)稱開取出口，烘房下部區(qū)域表現(xiàn)出很好的流場均勻性.但是，在烘房頂端沒有出口的情況下，風(fēng)道上部還是會(huì)出現(xiàn)大面積的低速甚至零速區(qū)域，需要進(jìn)一步優(yōu)化地毯烘房的出口設(shè)置，以改善烘房整體的流場均勻性.

(3)地毯燥燥存在特殊性，其烘房流場被分為上、下兩個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的氣流不易直接透過被烘燥物，使得烘房上、下區(qū)域的氣流速度差異明顯.在烘房的兩側(cè)對(duì)稱開口且頂部開口的模型，與另外3種烘房開口模型相比，其烘房內(nèi)流場分布最為均勻.

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