拉幅定型機烘房風管流場分析

徐 軍，陳海衛(wèi)，周一屆，高一中

（1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇海大印染機械有限公司，江蘇 無錫 214112）

0 引言

拉幅定型機是染整設備中的一種重要后整理設備，主要對織物進行烘干、熱定形等，其中用于烘干的部件為烘房[1]。

目前，國內外對烘房的研究較多的是針對其熱換裝置，廢氣熱回收裝置，以及拉幅定型機的不斷更新等。在國內，陳少軍[2]提出了一種拉幅定型機換熱裝置，它將排放的熱空氣進行熱能回收利用，降低了能耗，節(jié)省了生產成本。何葉麗[3]介紹了在傳統(tǒng)紡織品整理的烘燥過程中存在的問題，指出利用一些新的但是又非常簡單易行的方法即可優(yōu)化能源利用率。在國外，Cay等[4]對拉幅定型機中直接熱氣體加熱和熱油加熱兩種方式進行了分析，表明相比較于直接熱氣體加熱，熱油加熱的破壞和損失率更高。Schmidt等[5]對拉幅干燥機的計算流體力學模擬進行了研究，蒸發(fā)過程的模擬表明，織物表面溫度與水分的分布不均勻，所以說現(xiàn)有風管設計技術還有待改進，這也是紡織業(yè)需重點研究的課題。

本文通過Fluent軟件對現(xiàn)有拉幅定型機烘房風管進行仿真分析，根據(jù)在矩形小孔處流速的大小及方向的合理性僅對風管的錐度、擋板高度、擋板角度以及進口風速進行了初步的分析和探討，并且通過實驗測量驗證了所采用模型的可靠性和準確性。對風管的分析與設計提供了一定的參考依據(jù)。

1 仿真所用烘房風管

本文計算的風管模型來自某印染公司，如圖1所示，風管上有46個矩形小孔，左右兩邊各23個，矩形小孔尺寸（10×10）mm，小孔間距 70mm，在小孔左側有擋板，h—擋板高度，即擋板的長度值；γ—擋板角度，即擋板所在平面與矩形小孔所在平面的夾角；β—錐度，即矩形小孔所在平面與風管底部平面的夾角。

圖1 風管模型Fig.1 Model of the air duct

2 風管內流場的參數(shù)化建模

2.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

因為風管內部尺寸較小且比較復雜，所以本文通過C語言建立參數(shù)化模型，將風管的尺寸及角度設置為參數(shù)，以便于參數(shù)化分析，通過C語言編譯出在Gambit軟件中所需要的劃分網(wǎng)格以及設置邊界條件等命令，以便于在Gambit軟件中進行讀取，最后將文件保存為msh類型導入Fluent軟件進行仿真分析。

對于進氣口，采用的是速度入口邊界條件，分析計算時輸入速度大小，根據(jù)實際測量的進入風管的速度值進行入口速度大小的設置；對于出氣口，根據(jù)實際情況，烘房存在回流，所以采用的是壓力出口邊界條件，仿真分析中設置烘房外部為標準大氣壓；對于墻壁，采用Fluent軟件中的默認值[6]。因為風管是對稱的，所以分析時只取一半風管進行分析，這樣不但不會影響計算的準確性，而且可以降低計算量。

2.2 計算模型

因為流場和溫度場關系比較密切，且溫度場會受到流場的影響，所以本文研究風管內流場時，不考慮溫度影響，假設風管內部的溫度和濕度都是常數(shù)[7]。

通過雷諾數(shù) Re的求解公式Re=ρvd/η，其中 v、ρ、η分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長度，可以計算出當流體流速較小如0.5m/s時，雷諾數(shù)都滿足Re=4904＞4000，所以確定風管內流場為湍流。根據(jù)空氣的固有屬性，風管內部空氣的流動特性，將風管內氣流的流動看成是不可壓縮的湍流模型、密度是常數(shù)[8]。此外，湍流模型中的標準模型只適合完全湍流的流動過程模擬，而根據(jù)論文中涉及到的氣流特性，空氣分子粘性的影響可以忽略，流動為完全湍流，所以選用標準模型[9]。

2.3 模型的驗證

為了驗證計算模型的可靠性，將仿真分析結果與實際測量結果進行比較。測量氣流速度采用的儀器是RHAT-301型數(shù)字式風速/溫度表，測量風速的范圍是0～30m/s，測風精度是±3%。根據(jù)測量結果給定入口風速為7.8m/s。選取風管中的10個矩形小孔出口處作為測點，測量出氣流速度大小。實際測量時，每個測點都測試三次，取三者平均值。圖2所示的是仿真分析結果與實際測量結果數(shù)據(jù)的對比圖。

因為對烘房模型作了一些理想化的假設，而且在實際測量時存在著實驗儀器誤差，這些造成了仿真分析結果和實際測量結果存在一定的差異。但總的來說，誤差相對而言還是在10%以內的，說明Fluent軟件是可以用來仿真分析拉幅定型機烘房內部風速流場的，計算模型還是可靠的。

圖2 仿真結果和測量結果的對比Fig.2 Comparisom of simulation result and experimental data

3 風管的參數(shù)化仿真分析

本節(jié)主要分析的是風管錐度β、擋板高度 h、擋板角度γ、進氣速度V1對流場的影響。針對拉幅定型機的烘干及熱定型工藝，均需要各小孔出口處的流速大小盡量均勻，且小孔處的流速方向應盡量與小孔所在平面垂直，而通過第2.3小節(jié)的分析可知，現(xiàn)有風管各小孔出口處的流速大小已經(jīng)比較均勻，所以本文中風管參數(shù)化分析主要是針對流速方向盡量與小孔所在平面垂直來進行的，通過Matlab軟件對Fluent軟件中分析得到的與小孔所在平面垂直的截面上流場的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。

3.1 風管錐度β對流場的影響

分析β對氣流影響時，根據(jù)現(xiàn)有風管實際尺寸，設定h為6mm，γ為90°，進氣速度設定為1.5m/s（其中β， h， γ 見圖 1）。 β 變化范圍為 0°～6°， 每隔 1.5°建模計算一次。分析模型中各小孔處的氣流方向均值θ以及平均速度V隨β的變化如圖3所示。

圖3 各小孔處的氣流隨β的變化Fig.3 The change of the airflow at the holes along with β

總體來看，β對θ的影響不大，變化范圍僅在1.5m/s以內。β對V的影響也不大，變化范圍在8°以內。但β對風管內部流場的影響很大。用Tecplot軟件分析出β=0°時，風管內部很大一部分速度接近于0，這一部分往往存在氣流漩渦，這就延長了氣流傳遞路徑，降低了烘房的烘干和熱定型效率。而當β增加到6°左右時，上述現(xiàn)象基本消失。這說明在分管長度及小孔分布滿足設計要求的情況下，適當增大β是有益的，后續(xù)分析中將采用 β=6°。

3.2 小孔處擋板高度h對氣流方向的影響

分析h對氣流方向影響時，設定進氣速度為1.5m/s，β為 6°， γ為 90°。h變化范圍是 2mm～10mm， 每隔2mm建模計算一次。分析模型中各小孔處的氣流方向均值θ隨h的變化如圖4所示。

圖4 θ隨h的變化Fig.4 The change of θ along with h

可以看出，隨著h的增加，其導流作用越來越強，θ有所下降，但總的來說h對θ的影響較小，在4°以內。h對氣流影響較小的結論可以從空間氣流角度進行解釋，通過Tecplot軟件分析出風管內部空間氣流流動情況，大多數(shù)氣流是在擋板上部或者側面直接繞行過去的，擋板對這部分氣流基本無影響。

3.3 小孔處擋板角度γ對流場的影響

分析γ對氣流影響時，設定h=6mm，進氣速度為1.5m/s， β=6°。 γ 變化范圍是 30°～150°， 每隔 10°建模計算一次。圖5表示了小孔出口局部區(qū)域（出口至20mm范圍內的氣體）氣流方向均值θ隨γ的變化。

圖5 θ隨γ的變化Fig.5 The change of θ along with γ

可以看出當γ=120°時，小孔出口處氣流方向與小孔所在平面夾角為87.05°，最為垂直，此時最有利于烘干和熱定型。

分析模型中各小孔出口處平均速度V隨γ的變化時得出以下結論：γ越大，V逐漸減小，這是因為當γ較小時，小孔出口有效面積也較小，而隨著γ的增加，有效出口面積也增加，當增加到90°以上時，出口面積基本不變。

3.4 進氣速度V1對氣流方向的影響

分析V1對氣流方向的影響時，在前面分析的基礎上， 設定 γ 為 120°， β 為 6°。 V1變化范圍是 0.5～2.5m/s，每隔0.5m/s建模計算一次。分析模型中各小孔處的氣流方向均值θ隨V1的變化時得出以下結論：V1對小孔出口處氣流方向影響較小，盡管進氣速度取0.5m/s時θ有所減小，但減小量只有兩度左右，減小量很小。

4 結論

對拉幅定型機烘房風管流場進行了仿真，并且通過仿真分析和實際測量進行對比對比，驗證了計算模型的可靠性。在建立的可靠模型基礎上，對風管進行了參數(shù)化分析，這對實際風管的設計有一定的指導意義，分析結果如下：

（1）風管錐度β對各小孔出口處平均氣流速度和氣流方向影響不大，但對風管內部流場影響很大，在風管長度及小孔分布滿足設計要求的情況下，β為6°比較有益。

（2）擋板角度γ越大，各小孔出口處平均速度逐漸減小。就計算范圍內而言，小孔擋板角度在120°時，小孔出口氣流方向均值為87.05°，最有利于烘干和熱定型。

（3）擋板高度h對氣流影響較小，這是因為大多數(shù)氣流是在擋板上部或者側面直接繞行過去的。

（4）進氣速度對小孔出口處氣流方向影響較小。

[1]洪正凱.一種拉幅定型機烘箱[P].中國專利，201952640.2011-08-31.

[2]陳少軍.拉幅定型機換熱裝置[P].中國專利，202064175.2011-12-7.

[3]何葉麗.烘燥工藝的能源優(yōu)化[J].DYEING AND FINISHING，2010（20）.

[4]Cay，Hepbasli.Analysis Of Textile Convective Drying With Stenters by Subsystem Models[J].Drying Technology，2010，12.

[5]Schmidt,等.拉幅干燥機的計算流體力學模擬[J].國際紡織導報，2009，9.

[6]韓占忠，王敬.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：理工大學出版社，2004.

[7]于志勇，周文，等.竹膠板行業(yè)蒸汽烘房的模擬分析與優(yōu)化[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，2.

[8]張瑞雪，孫麗萍.計算流體力學在干燥窯風速檢測中的應用研究[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，1.

[9]王福軍.計算流體力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.