孫 戩 姜博藝 張守京 胡 勝

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

棉花中的異性纖維，簡(jiǎn)稱異纖［1］，會(huì)極大影響紡織品質(zhì)量，在棉花加工前須將異纖撿出。人工分揀［2］撿出效率低、人工成本高。異纖分揀機(jī)的出現(xiàn)在很大程度上解決了這一問題。

異纖分揀機(jī)分為輸棉通道、圖像識(shí)別系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)等三部分。在輸棉通道含有異纖的棉流分別通過異纖識(shí)別和剔除位置檢測(cè)，最終完成異纖剔除［3-4］。目前，對(duì)異纖識(shí)別的研究中，識(shí)別效率達(dá) 到90%以 上［5-6］，但 異 纖 剔 除 準(zhǔn) 確 性 只 達(dá) 到85%左右，而其清除效率只有75%［7］47。因此，從異纖剔除準(zhǔn)確性入手，清除效率還有很大提升空間。CHEN T等人對(duì)異纖分揀機(jī)氣流通道數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，較大噴嘴直徑、落棉箱入口寬度以及較小入口速度均有利于異纖剔除［8-9］。杜玉紅等人采用拉瓦爾剔除噴管并進(jìn)行矩形截面轉(zhuǎn)換，使出口速度更均勻，能耗更?。?0］。姜博藝等人對(duì)異纖分揀機(jī)輸棉通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到更平穩(wěn)的輸棉速度。在廢棉通道內(nèi)，存在異纖返回或滯留等問題，從而降低了異纖清除效率［11］。本研究針對(duì)CS808型異纖分揀機(jī)異纖返回輸棉通道和滯留問題［7］47，采用Fluent流體仿真軟件，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，通過研究廢棉風(fēng)機(jī)出口壓力和補(bǔ)風(fēng)口大小對(duì)流場(chǎng)的影響，對(duì)廢棉通道進(jìn)行優(yōu)化，以減少異纖受廢棉通道內(nèi)流場(chǎng)影響而出現(xiàn)的滯留及返回現(xiàn)象，達(dá)到提高異纖清除效率的目的。

1 廢棉通道優(yōu)化前期準(zhǔn)備

1.1 廢棉通道幾何模型

根據(jù)CS808型異纖分揀機(jī)結(jié)構(gòu)得到輸棉及廢棉通道三維模型，見圖1。通道均為矩形截面，高度80 mm，寬度1 200 mm，輸棉風(fēng)機(jī)壓力120 Pa。廢棉通道位于距離輸棉通道出口204.5 mm位置，由連接通道、廢棉通道入口段和剔除段組成，連接通道為輸棉通道和補(bǔ)風(fēng)口之間的梯形通道，廢棉通道入口段為補(bǔ)風(fēng)口位置下的直通道。補(bǔ)風(fēng)口可調(diào)節(jié)插板改變補(bǔ)風(fēng)口大小，最大寬度10 mm。廢棉通道出口配有可調(diào)節(jié)廢棉風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓范圍300 Pa～1 000 Pa。理論上，在連接通道內(nèi)形成“相對(duì)靜態(tài)區(qū)”，將輸棉通道和廢棉通道流場(chǎng)隔開，互不影響。當(dāng)電磁閥接到噴氣指令后，高速氣流攜帶異纖穿過靜態(tài)區(qū)進(jìn)入廢棉通道被廢棉風(fēng)機(jī)吸入廢棉袋。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

采用全六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總數(shù)為1 737 300個(gè)。定義棉流入口及補(bǔ)風(fēng)口為壓力入口，棉流出口及廢棉風(fēng)機(jī)位置為壓力出口，其他均為壁面。

1.3 求解設(shè)置

由于氣流速度相對(duì)較小，采用不可壓縮空氣；湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，基于壓力求解；棉流入口壓力0 Pa，棉流出口壓力-120 Pa，補(bǔ)風(fēng)口處壓力0 Pa，廢棉風(fēng)機(jī)位置壓力根據(jù)仿真廢棉風(fēng)機(jī)壓力而定。設(shè)置殘差以及對(duì)出口位置的質(zhì)量流率進(jìn)行檢測(cè)，以保證計(jì)算結(jié)果收斂。

2 廢棉通道分析研究

由于廢棉風(fēng)機(jī)壓力和補(bǔ)風(fēng)口大小均可調(diào)，分別在廢棉風(fēng)機(jī)不同壓力及不同補(bǔ)風(fēng)口條件下進(jìn)行分析。

2.1 不同廢棉風(fēng)機(jī)壓力

補(bǔ)風(fēng)口完全打開時(shí)，分析不同廢棉風(fēng)機(jī)出口壓力對(duì)廢棉通道內(nèi)流場(chǎng)的影響。根據(jù)廢棉風(fēng)機(jī)風(fēng)壓范圍，選用300 Pa～700 Pa范圍內(nèi)5種風(fēng)機(jī)壓力。對(duì)比不同風(fēng)機(jī)壓力下通道內(nèi)速度流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，隨廢棉風(fēng)機(jī)壓力升高，連接通道內(nèi)速度增大，上側(cè)壁面位置最為顯著，由4.0 m/s增至8.0 m/s。入口段中心區(qū)域速度減小，且最大速度區(qū)域縮小，并靠近下側(cè)補(bǔ)風(fēng)口位置。

對(duì)不同壓力下的速度矢量及速度角度進(jìn)行對(duì)比。速度角度是速度矢量與Z軸正方向的夾角，可表征流場(chǎng)內(nèi)速度方向。廢棉風(fēng)機(jī)壓力300 Pa時(shí)，寬度方向600 mm截面的速度矢量圖和速度角度圖見圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)壓力300 Pa時(shí)600 mm截面速度圖

由圖2可知，在廢棉通道入口段存在速度方向指向輸棉通道區(qū)域，會(huì)阻礙異纖剔除或使異纖返回輸棉通道。在通道兩側(cè)壁面受補(bǔ)風(fēng)口和風(fēng)機(jī)壓力影響，氣流速度相反，則有渦旋產(chǎn)生。連接通道內(nèi)大部分區(qū)域速度為1.4 m/s～2 m/s，方向偏向于輸棉通道?？拷蟼?cè)壁面位置，也有渦旋存在。在不同廢棉風(fēng)機(jī)壓力下，速度角度變化較小。壓力升高使連接通道內(nèi)上側(cè)壁面位置速度增大，渦旋位置逐漸靠近通道中心位置，與入口段內(nèi)的渦旋合并，并對(duì)輸棉通道內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

通過對(duì)不同廢棉風(fēng)機(jī)壓力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，較小的風(fēng)機(jī)壓力在出口位置速度較小，但在連接通道內(nèi)上側(cè)壁面位置流向入口段速度大小及范圍均最小，且不影響輸棉通道內(nèi)氣流。因此，廢棉風(fēng)機(jī)壓力在300 Pa時(shí)，流場(chǎng)特性最佳。

2.2 補(bǔ)風(fēng)口大小

廢棉風(fēng)機(jī)壓力為300 Pa時(shí)，分析補(bǔ)風(fēng)口大小對(duì)廢棉通道內(nèi)流場(chǎng)影響。分別對(duì)補(bǔ)風(fēng)口寬度為8 mm、6 mm、4 mm、2 mm時(shí)流場(chǎng)進(jìn)行分析，并分析截面的速度分布情況。

隨補(bǔ)風(fēng)口的減小，連接通道和入口段在靠近上側(cè)壁面位置，趨于剔除通道的速度和范圍均增大。補(bǔ)風(fēng)口寬度為8 mm、6 mm時(shí)，趨向于輸棉通道的最大速度區(qū)域減小。但補(bǔ)風(fēng)口寬度小于6 mm時(shí)，會(huì)影響輸棉通道的流場(chǎng)。在廢棉風(fēng)機(jī)壓力300 Pa下，調(diào)節(jié)補(bǔ)風(fēng)口的大小并不會(huì)產(chǎn)生明顯優(yōu)化效果，且當(dāng)補(bǔ)風(fēng)口寬度小于6 mm時(shí)，對(duì)輸棉通道產(chǎn)生影響。因此，使用完全打開的補(bǔ)風(fēng)口，流場(chǎng)效果更優(yōu)。

3 廢棉通道優(yōu)化

在廢棉風(fēng)機(jī)壓力為300 Pa，補(bǔ)風(fēng)口完全打開時(shí)，對(duì)廢棉通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合異纖分揀機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)理，提出減小連接通道出口寬度、入口段長(zhǎng)度、連接通道高度和改變剔除通道結(jié)構(gòu)以及采用雙廢棉風(fēng)機(jī)等5種優(yōu)化方案，并分別探究各方案的有效性。

3.1 連接通道出口寬度優(yōu)化

將連接通道出口寬度縮小20 mm，以減小連接通道內(nèi)速度受廢棉風(fēng)機(jī)出口壓力的影響程度。圖3為優(yōu)化連接通道出口寬度600 mm截面速度云圖及速度角度圖。

由圖3可知，減小連接通道出口寬度，可使連接通道內(nèi)速度分布更均勻，且速度區(qū)間由1.3 m/s～2.0 m/s減小為0.67 m/s～1.3 m/s。在靠近連接通道上側(cè)壁面渦旋范圍縮小，減小對(duì)異纖剔除產(chǎn)生影響的可能性。速度角度也隨之增大。

圖3 優(yōu)化連接通道出口寬度600 mm截面速度圖

3.2 入口段長(zhǎng)度優(yōu)化

廢棉通道入口段中心位置速度方向趨向于輸棉通道，阻礙異纖剔除，則縮短入口段長(zhǎng)度來減小阻力。將入口段長(zhǎng)度減小60 mm后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的整體速度分布更優(yōu)。在入口段內(nèi)偏向輸棉通道的速度區(qū)域縮小，異纖剔除的阻力減小。在連接通道內(nèi)速度趨勢(shì)有了明顯改善，在200 mm截面處，速度角度由108°～119°增大至131°～143°，在600 mm截面處，大 部 分 區(qū) 域 為155°～167°。因此，優(yōu)化后連接通道內(nèi)的氣流受輸棉通道影響更小，有利于異纖的剔除。

3.3 連接通道高度優(yōu)化

將連接通道高度減小40 mm，以分析它對(duì)速度分布的影響。圖4為減小連接通道高度后，600 mm處截面的速度云圖及速度角度圖。由圖4可知，優(yōu)化連接通道高度與優(yōu)化入口段長(zhǎng)度結(jié)果一致?？山Y(jié)合兩種優(yōu)化方案，使異纖從輸棉通道至廢棉剔除通道之間距離減小，確保攜帶異纖的高速氣流保持更高的速度，提高異纖剔除準(zhǔn)確率。

圖4 優(yōu)化連接通道高度600 mm截面速度圖

3.4 廢棉剔除通道優(yōu)化

優(yōu)化廢棉剔除通道內(nèi)壁面，將其直徑減小20 mm，風(fēng)機(jī)包覆角度由223°增大至240°，并對(duì)不同風(fēng)機(jī)壓力下的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。圖5為優(yōu)化廢棉剔除通道寬度方向600 mm處截面速度云圖和速度角度圖。由圖5可知，優(yōu)化剔除通道使連接通道內(nèi)速度分布更均勻，速度降低，速度角度增大。且隨廢棉風(fēng)機(jī)壓力增大，連接通道內(nèi)的速度增大，入口段速度減小，整體速度角度增大。當(dāng)風(fēng)機(jī)壓力為500 Pa時(shí)，入口段速度角度最低為108°，連接通道內(nèi)靠近輸棉通道位置，速度角度接近180°，在靠近入口段位置最小，為143°。風(fēng)機(jī)壓力為300 Pa時(shí)，連接通道內(nèi)流場(chǎng)不受補(bǔ)風(fēng)口氣流影響。

圖5 優(yōu)化剔除通道600 mm截面速度圖

3.5 雙廢棉風(fēng)機(jī)

使用單個(gè)廢棉風(fēng)機(jī)時(shí)，整體流場(chǎng)不均勻。因此，采用雙廢棉風(fēng)機(jī)，即在原廢棉風(fēng)機(jī)對(duì)面位置增設(shè)相同風(fēng)機(jī)壓力的廢棉風(fēng)機(jī)。并分別研究風(fēng)機(jī)壓力300 Pa、250 Pa、200 Pa、150 Pa時(shí)的流場(chǎng)。圖6為300 Pa和150 Pa時(shí)截面速度流場(chǎng)。

圖6 雙風(fēng)機(jī)不同壓力下截面速度流場(chǎng)

由圖6（a）可知，連接通道內(nèi)上側(cè)壁面附近流入剔除通道的速度及范圍均增大，并對(duì)輸棉通道內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，其余位置速度大小不變，方向近似垂直指向輸棉通道。因此，在300 Pa壓力下，雙廢棉風(fēng)機(jī)流場(chǎng)較劣。由圖6（b）可知，當(dāng)雙廢棉風(fēng)機(jī)壓力為150 Pa時(shí)，連接通道內(nèi)上側(cè)壁面附近流入剔除通道的范圍顯著減小，且最大速度減小為1.9 m/s，其他區(qū)域小于0.94 m/s，但速度方向和壓力與300 Pa時(shí)相同。入口段內(nèi)通道中心區(qū)域速度更小。寬度方向不同截面速度流場(chǎng)相對(duì)于單廢棉風(fēng)機(jī)更均勻。因此，雙廢棉風(fēng)機(jī)壓力為150 Pa時(shí)，在連接通道內(nèi)速度流場(chǎng)更優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)不同廢棉風(fēng)機(jī)壓力和補(bǔ)風(fēng)口大小研究發(fā)現(xiàn)，廢棉風(fēng)機(jī)壓力為300 Pa，補(bǔ)風(fēng)口完全打開時(shí)，流場(chǎng)性能最佳。

（2）減小連接通道出口寬度、入口段長(zhǎng)度和連接通道高度的優(yōu)化效果較好，且結(jié)合后兩種方案，可減小剔除噴管的速度衰減，使其保持更高的速度，確保將異纖吹入剔除通道，完成異纖的剔除。

（3）對(duì)廢棉剔除通道內(nèi)壁面進(jìn)行優(yōu)化，使連接通道內(nèi)速度分布更均勻，隨廢棉風(fēng)機(jī)壓力的增大，連接通道內(nèi)的速度略有增大，入口段速度減小，整體速度角度增大，有利于異纖的剔除。

（4）雙廢棉風(fēng)機(jī)方案的風(fēng)機(jī)壓力在150 Pa時(shí)效果較優(yōu)，入口段速度流場(chǎng)變化較小，在連接通道內(nèi)整體速度顯著減小，均勻性更優(yōu)，可進(jìn)行推廣使用。此方案對(duì)雙風(fēng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù)。