基于FLUENT的紧密纺大风机系统流场模拟与分析.pdf
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1、第3 0 卷第1 0 期 纺织学报V 0 1 3 0N o 1 0 2 0 0 9 年l O 月J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h O c t 2 0 0 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 1 0 - 0 1 3 0 0 5 基于F L U E N T 的紧密纺大风机系统流场 谢春萍1 2 ,潘鹏鹏1 2 ,苏旭中1 2 ,黄正科1 2 ( 1 生态纺织教育部重点实验室( 江南大学) ,江苏无锡2 1 4 1 2 2 ; 2 江南大学纺织服装学院,江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 模拟与分析 摘要在紧密
2、纺大风机系统设计中,车头、车尾各锭的负压差异要保持在允许误差范围之内。针对此问题,通过 标准缸e 双方程模型对紧密纺大风机系统模型进行分析,应用三维建模软件G a m b i t 与C F D 软件F l u e n t 对系统内部 流场进行三维仿真模拟,了解内部流场的特性,揭示内部流场的压强分布与变化规律。结果表明:为实现入口气压 一致,必须将主风道的气压降保持在较低的范围内,减少支管处能量损耗;利用C F D 技术对紧密纺大风机系统内部 流场进行模拟计算,得到的流场结果与实际值基本符合,计算结果得到了实测值的验证。 关键词紧密纺;大风机系统;流场;C F D ;节点;网格;旋涡区;紊流 中
3、图分类号:T S1 0 4 7文献标志码:A F l o ws i m u l a t i o na n da n a l y s i so nF D Fo fc o m p a c ts p i n n i n gb a s e do nF L U E N T X I EC h u n p i n 9 1 ”,P A NK u n p e n 9 1 ”,S UX u z h o n 9 1 ”,H U A N GZ h e n g k e l 2 ( 1 K e yL a b o r a t o r yo fE c o T e x t i l e ( 五a n g n a nU n i v
4、 e r s i t y ) ,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ,W u x i ,J i a n g s u2 1 4 1 2 2 ,C h i n a ; 2 S c h o o lo fT e x t i l e sa n dC l o t h i n g ,J i a n g n a nU n i v e r s i t y ,W u x i ,J i a n g s u2 1 4 1 2 2 ,C h i n a ) A b s t r a c tW h e nd e s i g n i n gF D Fs y s t e mo fc o m
5、p a c ts p i n n i n g ,t h en e g a t i v ep r e s s u r ed r o p sr e s u l t i n gf r o m s p i n d l e sa tt h ef r o n ta n db a c ko ft h em a c h i n es h o u l db ek e p tw i t h i na l l o w a n c e F o rt h i sr e a s o n ,f l o ws i m u l a t i o n a n da n a l y s i so fF D Fo nc o m p a
6、 c ts p i n n i n gi su n d e r t a k e n b a s e do nk - e t w o - e q u a t i o nm o d e l a n dt h e 3 一D t u 出u l e n tf l o wo ft h eF D FW a ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb y3 Ds o f t w a r eo fG a m b i ta n dC F Ds o f t w a r eF l u e n t T h e f l o wr u l ea n dc h a r a c t e r
7、 i s t i c sa n dp r e s s u r ed r o pd i s t r i b u t i o no fi t si n t e r n a lf l o wf i e l da r eo b t a i n e d T h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep r e s s u r ed r o pi nt h em a i np i p em u s tb ek e p tm i n i m u ma n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h e b r a n
8、 c hp i p e ss h o u l db er e d u c e di no r d e rt om a i n t a i nac o n s t a n ta i rp r e s s u r ea tt h ei n l e t 弛ec a l c u l a t e dv a l u e o ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fF D Fb a s e do ns i m u l a t i o nu s i n gC F Dt e c h n o l o g yi si ng o o da g r e e m e n tw i
9、t ht h ea c t u a l m e a s u r e m e n tv a l u e K e yw o r d sc o m p a c ts p i n n i n g ;n ) Fs y s t e m ;f l o wf i e l d ;C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ;n o d e ;s n d ;v o r t e x r e g i o n ;t u r b u l e n c e 国内企业对紧密纺大风机系统的研发大都基于 流体力学基本原理的理论计算与实验检验。本文利 用流体分析软件F l u
10、e n t 对紧密纺大风机系统内部流 场特性进行模拟仿真。 大风机管道系统是紧密纺设备的重要组成部 分,其产生的负压直接影响紧密纺集聚效能和动力 消耗,通过计算机仿真管道系统的截面形状、整体结 构和布置方式,能够在不影响实际生产的情况下方 便、精确地显示管道内压力、流量和温度的分布情 况,以便于实现对内部流场特性的研究,为进一步改 善整个管道系统形状和结构、降低能耗、实现锭差理 想化提供合理的改造建议。 1C F D 数学方法与模型建立 标准融e 双方程模型是目前使用最广泛的紊流 模型,该模型引入了紊流动能k 和紊动耗散率e , 涡黏系数P 。可表示为k 和e 的函数,q 为经验常 收稿日期:
11、2 0 0 8 1 0 3 0修回日期:2 0 0 9 0 5 2 2 作者简介:谢誊萍( 1 9 6 0 一) ,女,教授。主要研究方向为新型纺纱技术、计算机在纺织的应用。E m a i l :w x x e h p r i p 1 6 3 t o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第l O 期谢春萍等:基于F L U E N T 的紧密纺大风机系统流场模拟与分析 1 3 1 数,即: 未( 卅+ 杀( 咖;) = 鑫 ( + 箦) 甏】+
12、 G + G o 一鹏一+ S 女 ( 1 ) 象c 胆,+ 杀c 萨u ;,= 杀【c P + 箦,毒】+ 坐堑型k c :。k + 只( 2 ) u 2 c。u 、- , 式中:G 。为由平均速度梯度引起的紊流功能;G 。为 由浮力引起的紊流动能产生项;为可压紊流中脉 动扩张项;C h 、C :。、C ,。为经验常数,艿。、艿。为矗方程 和e 方程的紊流普朗特数;S 。、S 。为自定义源项。 式中经验常数取值分别为:C 。= 1 4 4 ,C :。= 11 9 2 , e = 0 0 9 ,瓯= 1 0 ,艿。= 1 3 ,当流动为不可压,且不 考虑自定义源项时,G b = 0 ,k =
13、0 ,S 。= 0 ,& = 0 。 在一般的流场问题中,缸e 模型已经得到广泛检验 和成功证明怛J 。 2 几何模型的建立和网格划分 利用上述数学原理和思想,使用G a m b i t 建立模 型并划分网格,以紧密纺大风机系统风道作为整个 流场加以考察。n u e n t 软件本身不能建立模型,一 般由其自带的软件G a m b i t 生成,并进行网格划分。 2 1 模型建立 以对E J M1 2 8 K S M 型4 5 6 锭普通环锭纺纱机进 行紧密纺大风机系统改造为例,紧密纺大风机系统 的风道主要由主风道、支管、次风道、二级支管组成, 如图1 所示。 图1大风机系统二维结构不意图 F
14、 i g 1 2 - Ds t r u c t u r eo fF D Fs y s t e m 本文使用n u e n t 的前处理软件G a m b i t 建立管道 系统的三维模型,如图2 ( a ) 所示,局部放大效果图 如图z ( b ) 所示。 2 2网格划分 几何模型建立完成之后就要进行网格划分,网 格的质量对于数值计算正确域的稳定起着非常重要 的作用。网格质量包括节点分布、光滑性以及歪斜 的角度。 ( a ) 管道系统的三维模型 ( b ) 局部藏大效果圈 图2 管道系统的三维模型与局部放大效果图 F i g 23 - DS 咖c B L r em o d e l ( a )
15、m dp 矾i a l a m p l 蒯e c f i o n ( b ) o fp i p e 划分网格时,主风道整体运用了三棱柱的体网 格划分方法。由于直径较小的二级支管内流体速度 情况复杂,因此,该处湍流流动受壁面的影响很大, 平均流动区域将由于壁面不光滑而明显受到影响。 近壁面区域可以分成3 层:黏性力层、缓冲层和外 层b o 。在近壁面的外部区域,湍流动能受平均流速 的影响而增大,湍流运动加剧。通常,对于这种情况 的处理办法是修正湍流模型,从而使壁面处受黏性 力影响的区域也能用网格划分来解决,对于流体流 速变化较大的二级支管需要采用这种网格划分方 法。o ,如图3 所示。 2 3
16、边界条件加载及求解器选择 大风机系统模型中,有7 0 个负压进口,可分为 1 3 个组,设为压力进口( p r e s s u r e i n l e t ) 边界条件;主 风道出口设为压力出口( p r e s s u r e o u t l e t ) 边界条件;其 他设为壁面( w i l t ) 边界条件,采用标准壁面函数 计算。 本文采用S e g r e g a t e d 算法,对材质为空气的湍流 模型进行k - e p s i l o n 方程的模型计算,设定收敛条件 为0 0 0 01 怕1 。设置材料属性为空气,默认密度为 1 2 2 5k g ,m 3 ,黏度为1 7 8
17、 9X1 0 一P a s ,设定出流口 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 2 纺织学报 第3 0 卷 图3二级支管示意图 ( a ) 系统内部流场流速示意图 F i g 3 S k e t c hm a po fs e c o n d c l a s ss i d et u b e 压力为20 0 0P a ,初始化设定。设置监视器迭代次数 为1 0 0 。 3 计算结果与分析 迭代收敛之后,对计算的结果进行后处理。在 F l u e n
18、t 中,可以用多种形式表达F l u e n t 软件计算得到 的流场,为了显示3 D 模型的计算结果,需要创建几 个特定的面,并在这些面上显示计算结果,这些具有 代表性的面的压强情况可大致描述整个流场的情 况。F l u e n t 自动定义边界面为面,如I n l e t 1 ,I n l e t 2 , ,I n l e t 1 3 ,压力出口边界上均可显示计算结果。 但是这些还不够,还需创建一个能够显示主风道、支 管、次风道和二级支管上压强分布情况的一个连续 的面,以便直观地显示整个系统的压强分布、气流速 度情况。在压力出口试验中,选取了龙= 一2 3 6c m 的沿z 轴的面,可以较
19、好地观察整个流场中的流速 以及压强变化情况J 。 3 1 管道内气体流动速度分布 图4 示出系统内部流场流速与沿Z 轴气流速 度分布情况。在菇= 一2 3 6c m 的面上,从车尾的吸 风口到车头,气流的速度变化比较明显,车尾的气流 速度均为1 4 1 0m s ,车头速度均为2 3 5m s ,整个管 道内气流速度出现在车尾支管涡流处,最大值均为 4 6 9 9m s 。 3 2 管道内气体压强分布 图5 示出系统内部流场压强分布与沿z 轴气 流压强分布情况。可以看出,从车尾到车头,整个管 道内的气流压强逐渐降低,由于存在沿程能量损耗 和局部阻力损失,主风道内的气压由18 7 1 8 8P
20、a 逐 渐降低到9 1 9 4 7P a ,各支管的气压也相应由 15 9 9 7 7P a 降低到7 8 3 4 1P a 。从图中可以看出,支管 ( ”系统内部沿z 轴气漉速度分布图 图4 系统内部流场流速与沿z 轴气流速度分布图 F i g 4 F l u i dv e l o c i t yi n s i d es y s t e m ( a ) a n dv e l o c i t y a l o n gZ a x i a li n s i d es y s t e m ( b ) 中从上到下存在6 0 0P a 左右的能量损耗,这主要是 由于支管处的局部阻力损失引起的能耗。 气流流
21、经突然扩大、转向、分岔等局部阻碍时, 因惯性作用,主流与壁面脱离,形成漩涡区。局部阻 力损失同漩涡区的形成有关,这是因为在漩涡区内 质点漩涡运动集中耗能,同时漩涡运动的质点不断 被主流带向下游,加剧了下游主流的紊动强度,从而 加大能量损失。综上所述,主流脱离边壁,漩涡区的 形成是造成局部阻力损失的主要原因哺 。试验结果 表明,在支管处漩涡区越大,漩涡强度越大,局部阻 力损失越大,在图5 ( b ) 中,支管处局部阻力损失造 成的能量损失为6 0 0P a 左右。 在大风机管道系统中,能量损耗还存在局部障 碍之间的相互干扰,即不仅仅是在管道分支口处的 损失,还包括下游因为紊流加剧而引起的损失。若
22、 局部障碍之间相距很近,流体流出前一个局部阻碍, 在流速分布和紊流脉动还未达到正常均匀流之间, 又流人后一个局部阻碍,这相连的2 个局部阻碍间 存在互相干扰,其损失系数不是正常情况下2 个局 部阻碍损失系数之和。根据经典理论,局部障碍直 接相连、相互干扰的结果是,局部阻力损失可能有较 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期谢春萍等:基于F L U E N T 的紧密纺大风机系统流场模拟与分析 1 3 3 ( a ) 系统内部流场压强分布示意图
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