异纤分拣机喷管板内流道结构优化分析_孙戬.pdf

第3 6卷第3期纺织高校基础科学学报V o l.3 6,N o.3 2 0 2 3年6月B A S I C S C I E N C E S J O U R N A L O F T E X T I L E U N I V E R S I T I E SJ u n.,2 0 2 3 引文格式:孙 戬,王 彤,姜 博艺,等.异纤 分拣 机喷 管 板内 流道 结 构 优 化 分 析 J.纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报,2 0 2 3,3 6(3):3 9-4 5.S UN J i a n,WANG T o n g,J I AN G B o y i,e t a l.O p t i m i z a t i o n a n a l y s i s o f t h e f l o w c h a n n e l s t r u c t u r e i n t h e n o z z l e p l a t e o f f o r e i g n f i b e r s o r t e rJ.B a s i c S c i e n c e s J o u r n a l o f T e x t i l e U n i v e r s i t i e s,2 0 2 3,3 6(3):3 9-4 5.收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 6 修回日期:2 0 2 2-1 2-2 9 基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 1 8 0 5 4 0 2);西安市现代智能纺织装备重点实验室建设项目(2 0 1 9 2 2 0 6 1 4 S Y S 0 2 1 C G 0 4 3);西安工程大学博士科研启动基金(B S 2 0 1 8 0 4)通信作者:孙戬(1 9 8 4),男,讲师,博士,研究方向为复合材料力学、纺织机械设计及优化、工程中的有限元法等。E-m a i l:s u n j i a n x p u.e d u.c n异纤分拣机喷管板内流道结构优化分析孙 戬1,2,王 彤1,姜博艺1,陈云辉1,林 何1,2(1.西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 4 8;2.西安市现代智能纺织装备重点实验室,陕西 西安 7 1 0 0 4 8)摘 要 针对异纤分拣机在剔除异纤过程中因喷管板出口速度分布不均、入口压力过大而导致的剔除率较低且能量损耗高的问题,结合拉瓦尔喷管结构特点对异纤分拣机喷管板内流道进行优化,以减少能量损耗,降低入口压力,提高异纤剔除性能。针对喷管板的一组流道,建立内流道入口位置优化及出入口位置联合优化2种方案,采用数值模拟方法对优化前后的流体性能进行分析,对比其速度、压力和质量流率。结果表明:喷管板内流道出入口联合优化方案更优,综合性能得到有效提升。与原始结构相比,喷管板出口速度提高了6 2.7 m/s,且能量损失较仅优化流道入口的方案减少7.9%,此研究对高性能异纤分拣机研发及实际应用具有指导意义。关键词 异纤分拣机;异性纤维;棉纤维;流道结构开放科学(资源服务)标识码(O S I D)中图分类号:T S 1 1 2.7 文献标志码:AD O I:1 0.1 3 3 3 8/j.i s s n.1 0 0 6-8 3 4 1.2 0 2 3.0 3.0 0 6O p t i m i z a t i o n a n a l y s i s o f t h e f l o w c h a n n e l s t r u c t u r e i n t h e n o z z l ep l a t e o f f o r e i g n f i b e r s o r t e rS UN J i a n1,2,WANG T o n g1,J I ANG B o y i1,CHEN Y u n h u i1,L I N H e1,2(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 4 8,C h i n a;2.X ia n K e y L a b o r a t o r y o f M o d e r n I n t e l l i g e n t T e x t i l e E q u i p m e n t,X ia n 7 1 0 0 4 8,C h i n a)A b s t r a c t T o a d d r e s s t h e p r o b l e m o f l o w r e j e c t i o n r a t e a n d h i g h e n e r g y l o s s c a u s e d b y u n e v e n v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n a n d h i g h i n l e t p r e s s u r e o f t h e n o z z l e p l a t e i n t h e p r o c e s s o f r e j e c t i n g f o r e i g n f i b e r s i n t h e f o r e i g n f i b e r s o r t e r,t h e i n n e r f l o w c h a n n e l o f t h e n o z z l e p l a t e o f t h e f o r e i g n f i b e r s o r t e r w a s o p t i m i z e d a c c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e L a v a l n o z z l e t o r e d u c e e n e r-g y l o s s,l o w e r i n l e t p r e s s u r e a n d i m p r o v e f o r e i g n f i b e r r e j e c t i o n p e r f o r m a n c e.A i m i n g a t a g r o u p o f f l o w c h a n n e l s i n t h e n o z z l e p l a t e,t w o s c h e m e s o f o p t i m i z a t i o n o f i n l e t p o s i t i o n o f i n n e r f l o w c h a n n e l a n d j o i n t o p t i m i z a t i o n o f i n l e t a n d o u t l e t p o s i t i o n w e r e e s t a b l i s h e d.T h e f l u i d p e r f o r m a n c e b e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n w a s a n a l y z e d b y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d,a n d i t s v e l o c i t y,p r e s s u r e a n d m a s s f l o w r a t e w e r e c o m p a r e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o m b i n e d o p t i m i z e d s o l u t i o n o f r u n n e r i n l e t a n d o u t l e t i n t h e n o z z l e p l a t e i s b e t t e r a n d t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e i s e f f e c t i v e l y i m p r o v e d.C o m p a r e d w i t h t h e o r i g i n a l s t r u c t u r e,t h e n o z z l e e x i t s p e e d i s i n c r e a s e d b y 6 2.7 m/s a n d t h e e n e r g y l o s s i s r e d u c e d b y 7.9%c o m p a r e d w i t h t h e o p t i m i z e d r u n n e r i n l e t s o l u t i o n.T h e s t u d y i s o f g u i d a n c e f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f h i g h p e r f o r m-a n c e f o r e i g n f i b e r s o r t i n g m a c h i n e s.K e y w o r d s f o r e i g n f i b e r s o r t e r;f o r e i g n f i b e r;c o t t o n f i b e r;r u n n e r s t r u c t u r e 0 引 言 中国是全球纺织业第一大国,但异性纤维含量过高一直制约着我国的棉花品质。异性纤维俗称“三丝”,如:布料、头发、皮革、丝、麻、油棉、木屑、绳索、纸张等。这些混入棉花生产流程的异性纤维易造成微小的纤维缺陷1,还会干扰纺纱、织造和染色,增加原棉的消耗并严重影响纺织品质量,因此分拣异性纤维是开棉的重要步骤和任务之一。异纤分拣机是目前纺织厂清除杂质的有利工具2,在其分拣异性纤维的实际过程中,首先需对原棉的输出过程进行检测,常用的检测装置有:C C D摄像机、光电感应器、超声波、紫外线等。检测定位到异纤后,从高压喷嘴喷出的高速气流束会对检测出的异纤进行筛选、剔除操作3。因此,异纤分拣机剔除系统喷管板性能直接关系到异纤的剔除率,对其结构进行优化设计有重要的意义。针对异纤分拣机剔除异纤,姜博艺等4和马婷5从输棉通道及除尘装置结构、喷管的排列方式等方面进行了探讨,表明优化后的喷管可获得更好的剔除异纤效果。MU等研究了湍流边界层射流流型的变化规律,证明对喷管内流道型线的优化设计有助于得到更好的流场自由射流参数6。在喷管的结构和性能方面,孔双祥等研究优化喷嘴不同结构对于喷嘴的出口速度、衰减趋势及能量消耗的影响规律,为优化后喷嘴性能的评估提供一种可借鉴的方法7。陆洪杰等对拉瓦尔喷管结构中3个变量配合下的不同工况进行模拟研究,得到拉瓦尔喷管产生相对良好射流效果的合理参数比8。孙戬等研究了不同剔除喷管结构参数对喷管性能的影响,为拉瓦尔喷管结构的参数计算提供了参考9。文献1 0-1 3 均采用数值模拟的方法进行研究,分别得到亚音速-超音速拉瓦尔喷管不同尺寸参数、不同位置的流场流动特性,为喷管的实际应用提供理论参考。文献1 4-1 6 研究了喷管不同的位置排布对实际性能的影响,添加气罩装置以改进射流特性的方式为工程实际应用提供了有效的参考。文献1 7-2 0 针对拉瓦尔喷管对中心气流速度、湍流强度以及气流流场的影响规律进行研究,结果表明使用流体动力学软件进行高速喷管的结构设计是可行的。文献2 1-2 2 进行了不同湍流模型在管道流动数值模拟中的适用性研究,该研究中湍流模型的选择可为数值仿真参数设定提供参考。文献2 3-2 4 研究了压力对于喷嘴特性的影响规律,但尚未对优化收敛喷嘴进行有效的研究。综上,本文结合拉瓦尔喷管结构特点对异纤分拣机喷管板内流道结构进行优化设计及数值模拟分析,对比得出可提高喷管板性能的优化方案,以获得更好的剔除速度和异纤分拣效果。1 喷管板内流道优化设计1.1 喷管板结构异纤分拣机剔除系统原始喷管板结构如图1(a)所示。由上、下2块喷管板构成,气流从上喷管板流入,经下喷管板流出。喷管板长度与输棉通道的宽度相同,以便更好地覆盖异纤,提高剔除异纤的准确性。图1(b)为喷管板中一组流道结构,采用一分四的结构形式,气流通过直径为8.0 0 mm的一个流道入口流入,经U型槽的分流,由对应连通的4个直径为3.0 0 mm的流道出口喷出高速气流束,从而剔除异纤。(a)喷管板结构04 纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报 第3 6卷(b)流道结构(单位:mm)图 1 原始喷管板结构图F i g.1 O r i g i n a l n o z z l e p l a t e s t r u c t u r e喷管板是异纤分拣机剔除异纤的重要执行部件,其结构的合理性直接影响到棉花中异纤剔除的效率。实际使用过程中发现,异纤分拣机存在异纤检出率低、能量损耗较高且喷管板出口速度分布不均匀等问题,因此利用拉瓦尔喷管结构特点优化喷管板内流道出入口结构,以减小能量损耗,提高剔除速度,进而获得更高品质的棉花。1.2 结构优化方案根据现有机型数据以及喷管设计的经验规律,选取产生良好射流效果的2种典型流道结构,结合拉瓦尔喷管结构特点,计算合理的优化参数。拉瓦尔喷管又称缩放式喷嘴,呈中间喉部收缩、两边不对称扩张状,管道内气流速度主要受流管截面积大小的影响1 2。实际工况中,喷管板内流体的流动比较复杂,属于非等熵的可压缩流动。为了简化问题,将异纤分拣机喷管板中流体流动视为一维等熵定常流动5,管道内气流与外界无热量和功的交换,不计摩擦。由气流流动的连续性方程可知,管道内任意两截面质量流量相等,即Qm=QV=v A=c o n s t(1)式中:Qm为质量流量,k g/s;QV为体积流量,m3/s;v为流速,m/s;为密度,k g/m3;A为截面面积,m2。对式(1)求全微分,即 d(v A)=vdA+v Ad+Adv=0 dv/v+d/+dA/A=0(2)dp+vdv=0(3)c=dp/d(4)M a=v/c(5)式中:p为压力;c为声速,m/s。式(3)代表理想流体微分形式的伯努利方程,式(4)为声速计算公式,式(5)为马赫数M a的定义式,将所述3个公式代入式(2),得到dAA=(M a2-1)dvv(6)由式(6)可知:当M a1时,气流为超音速,流管截面积与流速成正比。为了使出口达到超音速,必要条件为流管喉部马赫数为1。此外,由于管内流体为等熵流动,因而速度不断增大,压力不断降低。以喷管板内流道不同位置处相对应的出入口速度和出口面积为起始条件,采用收缩扩张型的拉瓦尔喷管结构对喷管板内流道结构进行优化设计。建立优化方案A:喷管板内流道入口优化;优化方案B:喷管板内流道出入口联合优化。2种方案的参数计算如下。根据异纤分拣机在实际工况中的应用,设定喷管板内流道入口压力为0.6 M P a,喷管板内流道出口速度ve为5 0 0 m/s,则出口马赫数M ae=1.4 7,入口速度v0为1 0 0 m/s,则入口马赫数M a0=0.2 9。已知原始喷管板内流道出口位置流道直径de=8.0 0 mm,喉部马赫数M at=1.0 0,由面积等熵公式(7)计算得到优化后流道喉部直径dt和入口直径d0,即A2A1=M a1M a21+-12M a22()/1+-12M a21()|+12(-1)(7)式中:为比热容比,一般取值为1.4;A1为任意截面面积;A2为出口截面面积;M a1为任意截面马赫数;M a2为出口截面马赫数。计算可得:dt=7.4 2 mm;d0=1 0.7 1 mm。拉瓦尔喷管的收缩段实质为一个收缩形流道,一般长度较短,dt、d0均已计算得出,则流道收缩段长度可由式(8)计算得出,即La=(d0-dt)/2 t a n(/2)=4.5 2 mm(8)式中:为收缩段锥角。当气体流经流道收缩段时,亚音速气流在该段加速至声速。为保证气流加速稳定,一般收缩段锥角的取值在3 0 4 5。本文取=4 0 进行计算。为了保证气流的平稳流动,防止紊流的产生,在流道喉部设计过渡段,其直径与喉部管道的直径相等,该段的长度计算公式为Lb=(0.51)dt(9)式中,Lb的长度一般小于喉管直径,经计算得:Lb=3.8 0 mm。14第3期 孙戬,等:异纤分拣机喷管板内流道结构优化分析当气流流经扩张段时,其速度会升高至超声速,扩张角取值以5 8 之间为宜8。若扩张角度太小,会增加气流扩张所流经的路程,加剧能量损耗;而扩张角度太大,会影响气流流速,本文取=6 计算流道扩张段长度,即Lc=(de-dt)2 c o t2(1 0)式中:de为出口直径;为扩张角。经计算得喷管板内流道入口扩张段的长度Lc=5.5 7 mm。在优化喷管板内流道入口的基础上,对流道出口位置亦采用拉瓦尔喷管结构进行优化。已知原始喷管板内流道出口位置处的流管直径d e=3.0 0 mm,同理计算得到优化后喷管板内流道出口位置各段流道的结构尺寸为:流道入口直径d0=4.0 1 mm,喉部直径d t=2.7 8 mm,收缩段流道的长度L a=1.7 0 mm,过渡段流道长度L b=1.3 9 mm,扩张段流道的长度L c=2.1 5 mm。图2所示为根据计算结果所设计的喷管板内流道结构优化基本参数示意图,2种优化方案所得的流道结构均由收缩段、喉部过渡段、扩张段3部分组成。图 2 喷管板内流道结构优化示意图(单位:mm)F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e o p t i m i z e d f l o w c h a n n e l s t r u c t u r e i n t h e n o z z l e p l a t e(u n i t:mm)2 有限元模型建立为考察流体通过喷管板内流道后的状态,几何建模过程中在流道出口截面处建立4 9.0 0 mm8 0.0 0 mm的外部流场。图3所示为边界设定示意图,黄色区域为喷管板内流道入口,边界类型采用压力入口;灰色区域为壁面边界;粉色区域为喷管板内流道出口,边界类型采用压力出口。在喷管板流道模型完成前处理工作后,基于压力基 稳 态 进 行 仿 真 求 解。湍 流 模 型 选 择 单 方 程(S p a l a r t-A l l m a r a s)模型2 5,工作介质为理想气体,入口压力设定0.6 MP a,出口压力设定0 MP a。图 3 边界示意图F i g.3 B o u n d a r y s c h e m a t i c3 结果分析为了便于对比优化前后流场情况,截取喷管板流道模型的中心截面并绘制一条直线,直线位置从喷管板内流道出口处延伸至外流场的末端。等间距提取该直线上的1 0 0组数据,得到喷管板外部流场的速度、压力曲线。3.1 原始喷管板原始 喷 管 板 外 流 场 的 速 度 及 压 力 曲 线 如图4所示。图 4 原始喷管板外流场速度及压力曲线 F i g.4 V e l o c i t y a n d p r e s s u r e c u r v e o f t h e o r i g i n a l n o z z l e p l a t e o u t e r f l o w f i e l d由图4可以看出,原始喷管板气流最大速度为5 4 8.9 8 m/s,且位于距离直线原点1 0.6 7 mm处,即在喷管板内流道出口处达到最大速度;最小速度出现在输棉通道出口附近,为9 8.9 9 m/s。当气流刚从喷管板流道出口喷出时,由于流道边缘的阻碍作用会形成致密的气体压缩激波,但气流从出口喷出后的流动条件无法让上下两道斜激波互相透射,因此,这两道激波形成了垂直于气流方向的分离激波2 6,称为马赫激波,之后反复地发生过膨胀和过压缩。这一膨胀压缩过程循环往复,使得速度不断24 纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报 第3 6卷震荡,直至位于距离直线起始位置2 4.8 9 mm处,速度停止震荡开始衰减。同时还可以看出,原始喷管板气流在外流场中最大压力为0.3 0 1 MP a,位于直线原点处。气流从型腔喷出后,在喷管板内流道出口处因流管截面积改变而达到最大压力,由于马赫激波膨胀压缩过程的影响使得压力震荡波动,降至最小压力,其值为-0.0 5 7 MP a,随后压力震荡逐渐减小直至平稳。3.2 优化方案A对喷管板内流道入口处优化后,喷管板外流场的速度及压力曲线如图5所示。图 5 优化方案A外流场的速度及压力曲线F i g.5 V e l o c i t y a n d p r e s s u r e c u r v e o f t h e o u t e r f l o w f i e l d o f o p t i m i z a t i o n s c h e m e A由图5可以看出,优化内流道入口后气流最大速度为6 0 7.6 2 m/s,且位于距离直线起始位置1 1.5 6 mm处,即在喷管板内流道出口达到最大速度;最小速度出现在输棉通道的末端,为1 1 8.4 m/s。这是由于气流从喷管板流道出口喷出后继续膨胀并受背压环境的压缩,产生马赫环使得速度震荡波动,直至位于直线起始位置2 9.3 3 mm处,速度停止震荡并开始衰减。同时还可以看出,优化喷管板内流道入口后气流最大压力为0.4 3 8 MP a,位于直线原点处,即型腔出口位置。气流刚从型腔喷出时,在流道入口处压力因截面积改变而达到最大,由于马赫环的影响,压力产生不同幅度的震荡,气流到达喷管板流道出口处时出现最小压力,为-0.0 7 6 MP a。随后震荡幅度逐渐平稳,最后压力趋于0 MP a。3.3 优化方案B喷管板内流道出入口联合优化后外流场的速度及压力曲线如图6所示。可以看出,优化后喷管板气流最大速度为6 1 1.6 8 m/s,且距离直线原点6.8 9 mm处,即喷管板内 流 道 出 口;最 小 速 度 为2 8.1 1 m/s,出现在距离直线原点8.6 1 mm处;速度震荡波动至距离直线原点2 7.5 5 mm处开始衰减。这是由于气流刚从喷管板内流道出口喷出时,速度衰减幅度大,马赫激波膨胀压缩过程对于速度的影响更为明显。图 6 优化方案B外流场的速度及压力曲线F i g.6 V e l o c i t y a n d p r e s s u r e c u r v e o f t h e o u t e r f l o w f i e l d o f t h e o p t i m i z a t i o n s c h e m e B同时还可以看到,针对喷管板内流道出入口联合优化后,流管内气流最大压力为0.4 6 8 MP a,出现于直线原点处。气流刚从型腔喷出时,压力因喷管板内流道入口处的截面积改变而达到最大值,当气流到达喷管板内流道出口时压力降至负值,出现最小压力,为-0.0 7 8 MP a。之后震荡幅度逐渐平稳,达到0 MP a的出口压力。3.4 优化前后喷管板性能对比图7为优化前后喷管板外流场的速度曲线对比。可以看出,与原始喷管板相比,优化喷管板内流道入口之后速度提高,且速度震荡频率增加,衰减之后的最低速度高于原始喷管板。进一步优化内流道出口位置,喷管板取得更高的出口速度,最大速度于喷管板流道出口位置的前端出现。当喷射速度相对较大时,喷管板流道的射流性能会更好,可达到剔除异纤的效果。此外,由于异纤分拣机喷管板产生高速气流束剔除异纤的过程主要发生在输棉通道的中间位置,输棉通道结构会影响流管内速度分布和棉流厚度4,因此外流场后半段的速度对剔除过程影响较大。同时还可以看到,在曲线后半段,喷管板内流道出入口联合优化可获得更高的速度,为相对最佳剔除速度,即优化方案B相对更好。因其受马赫环的影响较大,在速度曲线前半段震荡幅度大,对于异性纤维的卷吸能力更强,相较于原始喷管板,剔除异纤的数量更多,但同时也会对原棉造成一定的损耗。34第3期 孙戬,等:异纤分拣机喷管板内流道结构优化分析图 7 优化前后喷管板外流场速度对比F i g.7 C o m p a r i s o n o f t h e v e l o c i t y o f t h e f l o w f i e l d o u t s i d e t h e n o z z l e p l a t e b e f o r e a n d a f t e r o p t i-m i z a t i o n图8为优化前后喷管板外流场的压力曲线对比。可以看出,因入口位置喷管板内流道截面积的变化,优化前后的喷管板流道均在初始膨胀段达到最大压力,之后由于马赫环的膨胀压缩过程影响,压力曲线产生震荡波动。由此图曲线后半段可知,优化方案B喷管板外流场压力变化更为平缓。图 8 优化前后喷管板外流场压力对比F i g.8 C o m p a r i s o n o f p r e s s u r e o f f l o w f i e l d o u t s i d e n o z z l e p l a t e b e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n此外,对优化前后喷管板内流道入口位置的质量流率进行对比,即单位时间内通过喷管板内流道入口的流体质量,无负号代表流向与正方向相同。质量流率越大,消耗能量总量越大。原始喷管板入口位置的质量流率大小为0.0 2 6 1 k g/s,优化方案A所得质量流率为0.0 3 6 5 k g/s,与原始喷管板相比,优化喷管板内流道入口后质量流率增大,说明消耗的能量增大。优化方案B监测得到的质量流率减小,为0.0 3 3 8 k g/s,计算发现能量损失相较于方案A减少了7.9%。综上可得,方案B相对最优,即喷管板内流道出入口联合优化的方案,剔除速度得到很大提升,压力变化更为平稳,能量损耗低且更利于异纤的剔除。4 结 论1)与原始喷管板内流道结构相比,利用拉瓦尔喷管的收缩扩张管型特点所建立的2种流道结构优化方案,速度和压力特性均得到了改善。2)喷管板内流道出入口联合优化的方案具有更好的速度、压力特性,剔除速度增大且压力变化平稳,改善了喷管板内流道中气流的流动状态,其性能优于原始方案及仅优化流道入口方案,对于异纤剔除过程的影响更显著。3)喷管板内流道出入口联合优化的方案,在喷射速度提升时,质量流率下降,减少了剔除过程中的能量损耗,喷管板综合性能得到有效提升,实际使用中可取得更好的效益。参考文献(R e f e r e n c e s)1 D U Y H,L UO Y H,J I AN G X M,e t a l.R e s e a r c h o f f o r e i g n f i b e r s i n c o t t o n y a r n d e f e c t m o d e l b a s e d o n r e-g r e s s i o n a n a l y s i sJ.T h e J o u r n a l o f t h e T e x t i l e I n s t i-t u t e,2 0 1 6,1 0 7(9):1 0 8 9-1 0 9 5.2 张得旺,芦红.C S 8 0 6棉花异纤清除机的特点及应用J.中国棉花加工,2 0 1 1(4):2 0-2 3.Z HAN G D W,L U H.C h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a t i o n o f C S 8 0 6 c o t 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