气流成网机纤维流通道：设计优化与应用实践

1 纤维流通道的工作原理

为提高纤维在最终纤网中排列的杂乱度，气流成网机的纤维流通道在结构上往往采用渐扩形文丘里管. 这种纤维流通道实际上是一种变截面管道，即纤维流通道中任意两个截面的截面积都不相等，且纤维流通道从入口到出口呈逐步扩大趋势，其工作原理图如图1 所示. 按流体力学原理，气体在常压下可视为不可压缩的. 即：

因为S1＜S2，所以V1＞V2. 式中：Q1 为流入气流量（m3/h）；Q2 为流出气流量（m3/h）；S1 为截面1 的面积（m2）；S2 为截面2 的面积（m2）；V1 为截面1 处的气流速度（m/h）；V2 为截面2 处的气流速度（m/h）。

分散的单纤维随气流通过渐扩型文丘里管的纤维流通道，由于气流的扩散而降低了流速，纤维的头部速度减慢而尾部速度仍然很快，快速运动的尾部推动头部运动，使原来头尾按顺序排列的纤维变成了无规则的杂乱状态，同时由于吸风气流的作用，使得纤维边运动边凝聚在转动的凝棉器上形成纤网。

2 三维模型的建立及网格的划分

纤维流通道内部流场的仿真模型相对简单，可以使用Fluent 的前处理软件Gambit 建立. 首先在Gambit中建立纤维流通道的三维模型，如图2 所示；然后对纤维流通道的边界层进行网格划分，如图3 所示；并对面网格进行划分，如图4 所示.

最后对其内部流场进行网格划分，网格的划分对纤维流通道的分析非常重要，若划分不好则生成的残差曲线不会收敛，得不出想要的结果. 纤维流通道内部流场的网格模型如图5 所示. 然后检查网格质量，若网格没有较大的扭曲和变形，则说明网格质量较好.

网格划分好后定义边界类型，本模型只需要定义进出口边界和壁面边界，选择面（Face.6）作为速度入口，定义其为VELOCITY_INLET，命名为in. 选择面3（Face.3）作为自由出流口，定义其为OUTFLOW，命名为out. 将其余的面定义为壁面（WALL），命名为bimian.

3 Fluent 求解计算及仿真分析

3.1 Fluent 求解计算

将该划好网格的模型导入Fluent 进行仿真分析，采用有限体积法对纤维流通道内部流场进行数值模拟. 湍流模型采用标准k-ε 二方程模型. 给入口一个初始速度21.7 m/s（所选风机风量为1 131~2 356 m3/h，本文选择1 875 m3/h. 纤维流通道的入口面积为0.024m3，因此，纤维流通道入口风速为1 875 ÷ 0.024 ÷3 600 = 21.7 m/s），纤维流通道内壁定义为WALL 类型，采用无滑移边界条件；流体介质为空气，常温下密度为1.225 kg/m3，运动黏度为1.789 4 × 10-5 .

所有参数设置完毕后，对流场进行初始化，初始化流场后进行迭代计算. 模型中各参数收敛较快，在计算到第351 步后曲线即达到了收敛，得到的残差曲线图如图6 所示.

3.2 Fluent 仿真分析

曲线收敛说明模型可解，然后对模型进行内部气流速度模拟仿真. 分别得到压力云图和轴向压力散点图，如图7、图8 所示.

根据压力云图和轴向压力散点图可以得知，在纤维流通道入风口处纤维流通道受到的压力达到最大3 050 Pa，而靠近纤维流通道壁面处的压力处于下降趋势，随着纤维流通道横截面积的增加，靠近壁面处的压力几乎保持不变，到出风口位置处的压力也是保持稳定不变的.

再对模型进行纤维流通道内部速度模拟仿真，分别得到速度云图和轴向速度散点图，如图9、图10 所示.

根据速度云图和轴向速度散点图可以得知，在纤维流通道入风口处气流的速度达到最大21.7 m/s，而贴近纤维流通道壁面处气流的速度可以视为0. 也就是说，壁面对气流没有产生影响. 随着纤维流通道截面积的增加，气流的速度也慢慢降低，在纤维流通道出风口，速度达到最低.

将仿真结果与实验结果相比较，如表1 所示.

由表1 可以看出，仿真结果与实验结果相差不大，说明仿真结果有效.

4 结论

1）通过分析速度云图和压力云图可知，速度逐渐减弱，压力呈逐渐扩散趋势. 因此纤维流通道采用渐扩型文丘里管结构符合气流扩散的规律，适于尘笼均匀的集棉.

2）以流体力学理论作为指导，用Fluent 有限元仿真软件对纤维流通道内气体的流动进行仿真，通过分析仿真结果，并与实验结果相比较可知，仿真结果与实验结果相差无几，说明仿真结果有效.

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