邵寶鑫，武星，劉熹，馬群，杜硒，劉久逸，孫松

基于Fluent連續(xù)纖維模型的濾棒成型機(jī)捕絲器數(shù)值模擬與分析

邵寶鑫1，武星1，劉熹1，馬群2，杜硒2，劉久逸3*，孫松3

1 甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州七里河區(qū)南濱河中路1111號(hào) 730050；2 雙維伊士曼纖維有限公司，安徽合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)蓮花路3988號(hào) 230601；3 安徽大學(xué)，化學(xué)化工學(xué)院，安徽合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)九龍路111號(hào) 230601

【目的】指導(dǎo)濾棒成型機(jī)捕絲器的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，提升卷煙濾棒產(chǎn)品質(zhì)量。【方法】基于捕絲器中纖維運(yùn)動(dòng)特性，使用 Fluent軟件連續(xù)纖維模型進(jìn)行纖維簡(jiǎn)化，利用動(dòng)量源項(xiàng)傳遞實(shí)現(xiàn)纖維與流場(chǎng)間的耦合，擺脫了纖維與流場(chǎng)雙向耦合的規(guī)模限制，實(shí)現(xiàn)了包含大量纖維的捕絲器流場(chǎng)模擬。通過引入總牽引力與牽引力均勻性指標(biāo)，研究了不同壓縮空氣進(jìn)氣壓力與墊片厚度對(duì)ZL26A型濾棒成型機(jī)捕絲器絲束牽引狀態(tài)的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！窘Y(jié)果】（1）結(jié)合連續(xù)纖維模型的耦合模擬方法可以有效反映絲束對(duì)捕絲器內(nèi)流場(chǎng)的影響與絲束的牽引狀態(tài)；（2）在保證絲束牽引力滿足濾棒正常填充的情況下，使用較薄墊片厚度與較高進(jìn)氣壓力可以提升捕絲器牽引均勻性，提高絲束牽引質(zhì)量；（3）實(shí)驗(yàn)中使用總厚度較薄的0.56 mm墊片配合0.3 MPa較高進(jìn)氣壓力下生產(chǎn)出的濾棒，其吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差值與變異系數(shù)較參數(shù)改進(jìn)前分別下降21.5%與21.7%，濾棒質(zhì)量得到有效提升。

濾棒成型機(jī)；捕絲器；數(shù)值模擬；連續(xù)纖維模型；Fluent

捕絲器（送絲噴嘴）是煙草行業(yè)濾棒成型機(jī)中牽引開松絲束進(jìn)入成型裝置的精密部件[1–3]。其對(duì)絲束的牽引效果將直接影響成型濾棒的吸阻與棒重，也間接影響成品卷煙的過濾效果與口感[4]。由于捕絲器內(nèi)通道狹小，空氣流速較高且有大量絲束存在，客觀上給實(shí)驗(yàn)研究和相關(guān)過程參數(shù)的監(jiān)測(cè)帶來很大難度。因此在生產(chǎn)中，捕絲器的絲束牽引效果一般通過現(xiàn)場(chǎng)觀察絲束的運(yùn)動(dòng)情況并檢測(cè)成品濾棒的參數(shù)來判斷[5,6]。但現(xiàn)場(chǎng)觀察絲束運(yùn)動(dòng)的主觀性較強(qiáng)，而成品濾棒的參數(shù)受成型工藝中諸多因素影響易出現(xiàn)額外波動(dòng)，這使得捕絲器相關(guān)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)往往依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏貼合實(shí)際的理論指導(dǎo)。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)的發(fā)展，CFD模擬憑借其適應(yīng)性強(qiáng)[7]、成本低、獲取信息全面和結(jié)果直觀的特性成為預(yù)測(cè)捕絲器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與指導(dǎo)相關(guān)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的理想研究手段。目前含纖維流場(chǎng)的CFD模擬在紡織領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，錢程等[8]通過單向耦合方法對(duì)集聚紡集聚區(qū)內(nèi)流場(chǎng)分布及纖維運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬；裴澤光等[9]使用雙向耦合方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)單根纖維在二維流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)模擬；鄧茜茜等[10]利用纖維離散相簡(jiǎn)化的方式研究了輸棉紡內(nèi)輸棉通道位置對(duì)流場(chǎng)及纖維運(yùn)動(dòng)的影響。上述研究中單向耦合方法著重考慮流場(chǎng)對(duì)纖維的單方面影響；雙向耦合方法則側(cè)重研究流場(chǎng)與纖維間的相互作用，但由于纖維動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，模擬規(guī)模一般限于單根或若干根纖維；纖維離散相簡(jiǎn)化則以忽略纖維內(nèi)部作用力為前提，將纖維簡(jiǎn)化為流場(chǎng)中的離散相進(jìn)行模擬而獲取纖維的大致運(yùn)動(dòng)軌跡。在針對(duì)捕絲器的仿真研究方面，目前國(guó)內(nèi)僅見楊占平等[11]利用單向耦合模擬方法，通過Comsol軟件對(duì)KDF2型濾棒成型機(jī)捕絲器的流場(chǎng)進(jìn)行單獨(dú)模擬，并利用MATLAB基于流場(chǎng)結(jié)果對(duì)簡(jiǎn)化的纖維模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解，發(fā)現(xiàn)減小捕絲器內(nèi)外套間隙可以降低流場(chǎng)的不對(duì)稱性與纖維平均偏移距離。但研究受單向耦合模擬方法制約，未能考慮捕絲器內(nèi)大量纖維運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)造成的顯著影響，存在一定不足。由于捕絲器內(nèi)絲束運(yùn)動(dòng)受起始端輸出輥限制，將纖維簡(jiǎn)化為離散相顆粒顯然缺乏合理性，而使用常規(guī)雙向耦合方法則受限于仿真規(guī)模難以模擬包含大量纖維的流場(chǎng)。因此針對(duì)捕絲器的實(shí)際情況構(gòu)建更合理的絲束-流場(chǎng)耦合模擬方法是推進(jìn)捕絲器相關(guān)仿真研究的關(guān)鍵。

在干法紡絲與熔融紡絲過程的仿真研究中，商用CFD軟件包Fluent中的連續(xù)纖維模型常用于模擬呈直線狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的熔融或固態(tài)纖維[12]。該模型可在一定程度上降低纖維動(dòng)力學(xué)仿真的計(jì)算資源要求，從而擴(kuò)大纖維仿真規(guī)模。通過實(shí)踐觀察，在工作良好的捕絲器內(nèi)，絲束在受捕絲器氣流牽拉作用，在通過捕絲器時(shí)多呈近似直線的狀態(tài)，這與連續(xù)纖維模型的簡(jiǎn)化特征相契合。

結(jié)合上述分析，本文引入Fluent軟件連續(xù)纖維模型建立了捕絲器中的簡(jiǎn)化纖維模型，同時(shí)利用動(dòng)量源項(xiàng)的傳遞實(shí)現(xiàn)大量纖維與流場(chǎng)的雙向耦合計(jì)算，并對(duì)現(xiàn)有典型濾棒成型機(jī)（ZL26A型）的捕絲器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)，探究不同壓縮空氣進(jìn)氣壓力與不同捕絲器墊片厚度下絲束所受總牽引力與牽引力均勻性指數(shù)的變化規(guī)律，為捕絲器的使用提供更貼合生產(chǎn)實(shí)際的理論指導(dǎo)與工作狀態(tài)的預(yù)測(cè)，從而降低成品卷煙濾棒的質(zhì)量波動(dòng)，提高良品率。

1 捕絲器結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)網(wǎng)格

1.1 捕絲器幾何模型

ZL26A濾棒成型機(jī)組是常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)新型高速濾棒成型機(jī)組，其濾條最大生產(chǎn)速度可達(dá)600 m/min，機(jī)組上的捕絲器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其本質(zhì)是一個(gè)負(fù)壓發(fā)生器，壓縮空氣由壓縮空氣進(jìn)口進(jìn)入高壓氣體腔后沿捕絲器環(huán)隙出口高速噴出，然后進(jìn)入主通道內(nèi)，并在其中部形成負(fù)壓，從而將絲束進(jìn)口位置的外部空氣吸入捕絲器，牽引外部絲束通過捕絲器。生產(chǎn)過程中可以通過增減墊片數(shù)量來調(diào)節(jié)墊片總厚度（以下簡(jiǎn)稱“墊片厚度”）進(jìn)而改變捕絲器環(huán)隙截面寬度。

圖1 ZL26A型捕絲器的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 捕絲器流場(chǎng)網(wǎng)格模型

捕絲器為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故建立全模型。捕絲器實(shí)際使用中導(dǎo)流罩出口位置接有延長(zhǎng)的錐形罩，因此在出口位置建立額外的導(dǎo)流延長(zhǎng)段。捕絲器模型墊片厚度為0.77 mm，數(shù)據(jù)依據(jù)生產(chǎn)中使用頻率較高的墊片數(shù)量實(shí)測(cè)得出。模型網(wǎng)格除導(dǎo)流罩側(cè)面泄壓孔區(qū)域采用四面體網(wǎng)格外，其它區(qū)域均使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模型在0.2 MPa進(jìn)氣壓力下，分別以最高空氣流速與絲束進(jìn)口端吸入的空氣質(zhì)量流量作為網(wǎng)格局部與整體評(píng)價(jià)的指標(biāo)，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試，結(jié)果如表1所示。由表中Y+值可見，5套網(wǎng)格均可保證第一層網(wǎng)格在流場(chǎng)粘性底層（Y+ < 5）進(jìn)行求解，且后3套網(wǎng)格兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)偏差均在1%以內(nèi)，均滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。綜合考慮計(jì)算資源與所需工程精度，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為4463094的網(wǎng)格模型，如圖2所示。該套網(wǎng)格的最大網(wǎng)格尺寸為1.26 mm，位于空氣入口位置；最小網(wǎng)格尺寸0.002 mm位于環(huán)隙出口處壁面；網(wǎng)格偏斜度平均值為0.16，最大值為0.82。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試結(jié)果

Tab.1 Results of grid independence test

圖2 捕絲器流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2 基于連續(xù)纖維模型的絲束-流場(chǎng)耦合模型

2.1 基于連續(xù)纖維模型的絲束模型構(gòu)建

基于連續(xù)纖維模型構(gòu)建的絲束模型單旦為3 D，總旦為34560 D，絲束內(nèi)纖維密度為1.32 g/cm3，纖維軸向輸送速度為600 m/min?？紤]到計(jì)算機(jī)的實(shí)際計(jì)算能力，將經(jīng)過捕絲器的絲束分為890股，由絲束總旦與單旦計(jì)算得出每股絲束中包含具體纖維數(shù)量為13根。每股絲束分布及進(jìn)口位置坐標(biāo)如圖3所示，絲束出口位置分布的平面坐標(biāo)為進(jìn)口位置平面坐標(biāo)乘以相應(yīng)縮減系數(shù)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量，縮減系數(shù)取為0.8。每股絲束的計(jì)算信息均離散至沿長(zhǎng)度方向等距分布的300個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

圖3 捕絲器絲束分布：(a) 絲束位置 (b) 進(jìn)口處分布

2.2 絲束與流場(chǎng)間耦合的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)絲束與流場(chǎng)間的雙向耦合，在絲束節(jié)點(diǎn)與流體網(wǎng)格間進(jìn)行動(dòng)量源項(xiàng)的傳遞。動(dòng)量源項(xiàng)傳遞方程通過式（1）計(jì)算:

其中

2.3 流場(chǎng)計(jì)算設(shè)置

捕絲器流場(chǎng)模型使用商業(yè)流體力學(xué)軟件Ansys Fluent計(jì)算。計(jì)算中流場(chǎng)介質(zhì)為空氣，密度計(jì)算使用理想氣體模型；同時(shí)使用Realizable K-ε湍流模型以增強(qiáng)對(duì)射流的模擬效果；壁面函數(shù)采用增強(qiáng)型壁面函數(shù)；使用壓力基求解器Coupled算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，所有離散格式均為二階迎風(fēng)格式。

在邊界條件方面，捕絲器空氣進(jìn)口定義為壓力進(jìn)口，總壓定義為0 Pa表壓；壓縮空氣進(jìn)口同為壓力進(jìn)口，總壓定義為0.2 MPa表壓；導(dǎo)流罩上部出口，導(dǎo)流罩開孔處及延長(zhǎng)段出口均定義為壓力出口，靜壓值為0 Pa表壓；其余壁面均為無滑移絕熱壁面。

3 結(jié)果及討論

3.1 捕絲器絲束對(duì)流場(chǎng)的影響及絲束受力分析

通過在計(jì)算時(shí)關(guān)閉或打開動(dòng)量源項(xiàng)傳遞方程可以分別得到捕絲器空載（無絲束）與牽引絲束時(shí)流場(chǎng)截面的速度場(chǎng)與靜壓力分布（圖4、圖5）。由圖4a和5a可知，空載時(shí)捕絲器主通道在環(huán)隙噴出的氣流作用下產(chǎn)生負(fù)壓并將入口處的空氣吸入通道內(nèi)，同時(shí)主通道中心區(qū)域的空氣流速遠(yuǎn)低于靠近壁面由環(huán)隙噴出的空氣流速，這也保證了絲束通過捕絲器時(shí)的完整性。由圖中放大區(qū)域可見，壓縮空氣由高壓氣體腔沿環(huán)隙釋放至主通道低壓區(qū)時(shí)迅速膨脹并加速，產(chǎn)生遠(yuǎn)小于主通道內(nèi)環(huán)境的壓力后被周圍相對(duì)較高的環(huán)境壓力重新壓縮后貼壁擴(kuò)散。同時(shí)由于捕絲器本身為單側(cè)進(jìn)口，壓縮空氣在進(jìn)入高壓氣體腔后向兩側(cè)環(huán)向繞流，且在通過環(huán)間隙時(shí)仍然保持一定環(huán)向速度，從而造成了氣流速度在兩側(cè)分布的不對(duì)稱。

理論上，空氣牽引絲束進(jìn)入捕絲器時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量交換，但由于絲束速度受輸出輥限制遠(yuǎn)小于空氣速度，因此交換后空氣速度應(yīng)顯著下降。觀察圖4b和5b進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)捕絲器牽引絲束時(shí)，其流場(chǎng)仍保留空載時(shí)流場(chǎng)的大部分特征，但絲束所在區(qū)域的空氣速度顯著降低，壓力分布也出現(xiàn)了明顯變化，主通道負(fù)壓區(qū)增大，靠近壁面處的負(fù)壓升高。進(jìn)一步提取絲束進(jìn)口吸入的空氣質(zhì)量流量，發(fā)現(xiàn)在空載時(shí)為0.0241 kg/s，而在牽引絲束時(shí)則降低至0.0190 kg/s，降低了約21%，表明絲束與空氣間的動(dòng)量傳遞對(duì)捕絲器工作效能影響顯著，不可忽略。

圖4 捕絲器中部截面速度場(chǎng)分布圖：(a) 空載(b)牽引絲束

圖5 捕絲器中部截面壓力場(chǎng)分布圖：(a) 空載(b)牽引絲束

通過對(duì)絲束節(jié)點(diǎn)傳遞的動(dòng)量源項(xiàng)進(jìn)行后處理，可進(jìn)一步計(jì)算出不同位置絲束內(nèi)單根纖維所受拉力，結(jié)果如圖6所示。由圖6中可以發(fā)現(xiàn)，各位置單根纖維拉力均為正值，表明上述纖維在捕絲器氣流作用下均受到拉伸，且外部靠近壁面處的纖維所受牽引力較大，中心處的纖維牽引力較低。此外，纖維受力在X軸方向呈現(xiàn)不對(duì)稱性，即靠近捕絲器的壓縮空氣進(jìn)口的一側(cè)的纖維牽引力小于其對(duì)側(cè)纖維。上述受力結(jié)果與圖4速度場(chǎng)分布中外強(qiáng)內(nèi)弱、X方向不對(duì)稱的狀態(tài)相一致，可見絲束與流場(chǎng)間的耦合計(jì)算能有效反映捕絲器內(nèi)絲束對(duì)流場(chǎng)的影響，也可以直觀反映絲束在不同區(qū)域的受力狀態(tài)。

圖6 不同位置絲束內(nèi)單根纖維所受拉力

3.2 墊片厚度與進(jìn)氣壓力對(duì)捕絲器絲束牽引的影響

通過調(diào)節(jié)壓縮空氣進(jìn)口壓力（以下簡(jiǎn)稱壓力）與墊片厚度（墊片厚度越大對(duì)應(yīng)環(huán)隙寬度越大）進(jìn)行正交仿真實(shí)驗(yàn)。其中壓力范圍為0.1～0.3 MPa，墊片厚度取實(shí)測(cè)值0.56、0.77 與0.96 mm三種。最終不同墊片厚度下捕絲器的總牽引力、最低單纖牽引力與牽引均勻指數(shù)隨壓力的變化如圖7所示。

圖7 不同墊片厚度下捕絲器的總牽引力、牽引均勻指數(shù)及最低單纖牽引力隨壓縮空氣進(jìn)氣壓力的變化

Fig. 7 Variations of total traction force, traction uniformity index and minimum fiber traction of jet with compressed air inlet pressure under different gasket thickness

隨著壓力與墊片厚度的增大，總牽引力與最低單纖牽引力均呈明顯增大趨勢(shì)。而捕絲器的牽引均勻性隨墊片厚度的增大而顯著降低，當(dāng)墊片厚度增大時(shí)，壓力變化對(duì)牽引力均勻性的影響明顯增加。當(dāng)墊片厚度固定時(shí)，存在一個(gè)牽引均勻性最優(yōu)的進(jìn)氣壓力。墊片厚度0.56 mm時(shí)最優(yōu)進(jìn)氣壓力為0.3 MPa，墊片厚度0.77 mm時(shí)為0.20 MPa，墊片厚度0.96 mm時(shí)為0.175 MPa，可見最優(yōu)進(jìn)氣壓力隨墊片厚度增大而減小。考慮到墊片厚度對(duì)牽引均勻性影響更明顯，在生產(chǎn)過程中可以在保證絲束牽引力維持正常填充的情況下，優(yōu)先使用較薄的墊片配合較高的壓力來提升牽引均勻性。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)方法：為驗(yàn)證上述模擬結(jié)論對(duì)濾棒實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義，選取模擬中捕絲器總牽引力較為相近的3種不同墊片/進(jìn)氣壓力工藝條件（圖7中圓圈標(biāo)注位置）：0.56 mm/0.3 MPa、0.77mm/0.2 MPa、0.96 mm/0.15 MPa，在蘭州瑞豐實(shí)業(yè)有限公司的ZL26A型成型機(jī)上使用3.0Y35000規(guī)格的二醋酸纖維素絲束（雙維伊士曼纖維有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行了120 mm濾棒成型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。其中0.77 mm/0.2 MPa為該成型機(jī)實(shí)驗(yàn)前批量生產(chǎn)使用的參數(shù)，因此可以保證所選取總牽引力滿足濾棒填充的基本要求。由圖7可知，3種工藝條件下， 0.56 mm/0.3 MPa的牽引均勻指數(shù)最高，而0.96 mm/0.15 MPa的最低。

實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)成型機(jī)在對(duì)應(yīng)捕絲器參數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)行5 min后，隨機(jī)取100支濾棒固化24 h。最終使用SODIMAX型濾棒綜合測(cè)試臺(tái)（法國(guó)索定公司）完成濾棒參數(shù)測(cè)定。成型機(jī)開機(jī)參數(shù)如表2所示，120 mm成品濾棒的基本指標(biāo)要求如表3所示。

表2 ZL26A濾棒成型機(jī)的開機(jī)參數(shù)

Tab.2 Boot parameters of ZL26A filter rod maker

表3 120 mm濾棒基本指標(biāo)要求

Tab.3 Basic index requirements for 120 mm filter rod

3.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)0.56 mm/0.3 MPa與0.77 mm/0.2 MPa工藝條件下的絲束在輸出輥與捕絲器之間均呈近似直線狀態(tài)，而在0.96 mm/0.15 MPa中少量絲束出現(xiàn)輕微下垂。結(jié)合模擬結(jié)果，由圖7中可以發(fā)現(xiàn)0.96 mm/0.15 MPa下的最低單纖牽引力較0.77 mm/0.2 MPa工況低約18%，這表明雖然兩種工藝條件下總牽引力相近，但由于0.96 mm時(shí)其絲束牽引力分布均勻性較差，部分區(qū)域的牽引效果不佳，引起絲束下垂。

不同捕絲器工況下的濾棒參數(shù)結(jié)果如表4所示。可以發(fā)現(xiàn)3種工藝條件下生產(chǎn)的濾棒吸阻均值，圓周，長(zhǎng)度，吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差值（Std）均符合120 mm濾棒的指標(biāo)要求，這表明在成型過程中，在總牽引力滿足濾棒填充要求的情況下，絲束在濾棒中均可以得到有效的填充，生產(chǎn)出合格濾棒產(chǎn)品。

表4 不同工藝條件下濾棒參數(shù)結(jié)果

Tab.4 Parameters of filter rod under different process conditions

進(jìn)一步對(duì)比濾棒吸阻參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)在模擬中具有較高牽引均勻指數(shù)的0.56 mm/0.3 MPa條件下，其生產(chǎn)的吸阻Std與變異系數(shù)（CV）分別為51 Pa與1.62，在3種工藝條件中表現(xiàn)最好，與原生產(chǎn)參數(shù)0.77 mm/0.2 MPa相比，其吸阻Std與CV分別下降21.5%與21.7%，與參數(shù)0.96 mm/0.15 MPa相比，下降26.0%與27.0%，優(yōu)化工況后的捕絲器可以制備出吸阻穩(wěn)定性更好的濾棒。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以總結(jié)出ZL26A型濾棒成型機(jī)在捕絲器使用總厚度為0.56 mm墊片配合0.3 MPa進(jìn)氣壓力的工藝條件下生產(chǎn)出的濾棒，其質(zhì)量和吸阻參數(shù)在連續(xù)生產(chǎn)過程中均呈現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，濾棒產(chǎn)品質(zhì)量也得到顯著提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)論具有一致性，證明基于Fluent連續(xù)纖維模型建立的絲束-流場(chǎng)耦合數(shù)值方法可以有效地對(duì)捕絲器進(jìn)行模擬，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

基于Fluent連續(xù)纖維模型實(shí)現(xiàn)了絲束-流場(chǎng)間的數(shù)值耦合，并對(duì)ZL26A型濾棒成型機(jī)捕絲器進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬與生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：（1）連續(xù)纖維模型的耦合模擬方法在絲束途徑區(qū)域耦合效果明顯，空氣速度顯著降低，能夠有效反映捕絲器內(nèi)絲束對(duì)流場(chǎng)的影響并獲取更準(zhǔn)確的絲束牽引情況；（2）針對(duì)ZL26A濾棒成型機(jī)的捕絲器，在保證絲束牽引力滿足濾棒正常填充的情況下，為盡可能提高絲束牽引的均勻性，宜使用較薄的墊片厚度配合較高的進(jìn)氣壓力進(jìn)行生產(chǎn)；（3）通過實(shí)驗(yàn)，使用總厚度較薄的0.56 mm墊片配合0.3 MPa較高進(jìn)氣壓力下生產(chǎn)出的濾棒，其吸阻標(biāo)偏與變異系數(shù)與參數(shù)改進(jìn)前生產(chǎn)的濾棒相比分別下降21.5%與21.7%，濾棒產(chǎn)品質(zhì)量得到一定提升。

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Numerical simulation and analysis of tow transport jet of filter rod maker based on the continuous fiber model in Fluent

SHAO Baoxin1, WU Xing1, LIU Xi1, MA Qun2, DU Xi2, LIU Jiuyi3*, SUN Song3

1 Gansu Tobacco Industry Company Limited, Lanzhou 730050, China;2 Eastman Shuangwei Fibers Company Limited, Hefei 230601, China;3 School of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China

By introducing the indexes of total traction force and traction force uniformity, the numerical simulation of the tow transport jet of ZL26A filter rod maker was carried out by Fluent software package to guide the process parameters of the transport jet and improve the quality of filter rod products.In order to get rid of the scale limitation of two-way coupling between fiber and flow field, the tow model was constructed and simplified with the continuous fiber model in Fluent based on the fiber motion characteristics in the transport jet, and the coupling between the tow model and the flow field of transport jet was realized by the transmission of the momentum source term. The influences of compressed air inlet pressure and gasket thickness on tow traction state were investigated and verified by experiments.The results show: 1) The coupling simulation method based on the continuous fiber model can effectively reflect the influence of tow on the flow field in the jet and the tow traction state; 2) Under the condition that the traction force of the tow meets normal filling of filter rod, a thinner gasket and a higher inlet pressure are beneficial for improving the traction uniformity and enhancing the tow traction quality; 3) Using a thinner gasket with a total thickness of 0.56 mm and a higher inlet pressure of 0.3 MPa, the suction resistance standard deviation and coefficient of variation of the filter rods were reduced by 21.5% and 21.7% respectively as compared with those before parameter improvement.

filter rod maker; tow transport jet; numerical simulation; continuous fiber model; Fluent

. Email：liujiuyi@ahu.edu.cn

邵寶鑫，武星，劉熹，等. 基于Fluent連續(xù)纖維模型的濾棒成型機(jī)捕絲器數(shù)值模擬與分析[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2022，28（6）. SHAO Baoxin, WU Xing, LIU Xi , et al. Numerical simulation and analysis of tow transport jet of filter rod maker based on the Continuous Fiber Model of Fluent[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28 (6).doi:10.16472/j.chinatobacco. 2021.237

甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司項(xiàng)目“基于ESFC絲束成型中使用的高壓噴嘴的流體模擬與優(yōu)化”（KJXM-2021-13）；安徽省自然科學(xué)基金“基于流固耦合溫度場(chǎng)的管板熱應(yīng)力響應(yīng)研究”（2008085QE262）

邵寶鑫（1981—），學(xué)士，工程師，主要從事濾棒生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)研究，Tel：15348009228，Email：43745589@qq.com

劉久逸（1991—），Tel：17355118691，Email：liujiuyi@ahu.edu.cn

2021-11-23；

2022-09-22