肖育林, 沈 磊, 覃仕輝, 吳 磊

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GD121P卷接機(jī)組吸絲成形關(guān)鍵技術(shù)的CFD仿真分析

肖育林*1, 沈 磊2, 覃仕輝1, 吳 磊2

(1. 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 研究所, 湖南 常德, 415000;2. 中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司 卷接研究室, 上海, 201206)

采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真方法, 對(duì)以GD121P卷接機(jī)組為原型的吸絲成形關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究. 給出了問(wèn)題的仿真方法, 建立了仿真模型, 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比建立了吸絲帶多孔介質(zhì)模型. 仿真獲得了吸絲帶附近壓強(qiáng)場(chǎng)關(guān)鍵特征, 結(jié)果表明: 在煙絲平整器前端, 吸絲帶上下壓差較大, 有利于形成較緊密的煙絲層, 降低回絲量; 仿真結(jié)果符合工程實(shí)際.

吸絲帶; 吸絲成形; 仿真分析

自1954年法國(guó)人拉貝(Labbe)發(fā)明吸絲帶吸附煙絲技術(shù)以來(lái), 采用吸絲成形技術(shù)的卷煙機(jī)克服了重力落絲式卷煙機(jī)煙絲打滑的技術(shù)瓶頸, 引發(fā)了此后提高生產(chǎn)速度的技術(shù)噴發(fā). 應(yīng)用吸絲成形技術(shù), 煙絲在負(fù)壓作用下, 自下而上被吸附在運(yùn)動(dòng)的吸絲帶上形成一定厚度的煙絲層, 并通過(guò)煙絲平整器的修理, 獲得質(zhì)量均勻的煙絲束. 周奎田[1]對(duì)超高速卷接機(jī)組PROTOS2-2和GD121PLUS/16K喂絲機(jī)工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹和比較; 黃娟[2]以氣力輸送理論和最優(yōu)化方法為基礎(chǔ)對(duì)梗絲氣力輸送系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化; 吳磊等[3]采用數(shù)值仿真結(jié)合試驗(yàn)研究的方法對(duì)復(fù)雜物料氣力輸送特性進(jìn)行了探索. 雖然吸絲成形技術(shù)原理已為中國(guó)煙草行業(yè)掌握, 但對(duì)該關(guān)鍵技術(shù)還未進(jìn)行深入地分析和研究.

本文以GD121P卷接機(jī)組為原型, 采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真(CFD)方法, 對(duì)吸絲成形關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究. 參照GD121P機(jī)組工藝流程和機(jī)械結(jié)構(gòu), 研究了問(wèn)題的仿真方法, 建立了仿真模型, 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比建立吸絲帶多孔介質(zhì)模型. 仿真獲得了吸絲帶附近壓強(qiáng)場(chǎng)關(guān)鍵特征, 并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部分析.

1 GD121煙絲輸送流程

GD121煙絲輸送裝置如圖1所示. 傳送鼓通過(guò)本身的齒條拾取煙絲, 并讓煙絲落入落絲槽內(nèi), 松絲壓輥保證粗刺輥從落絲槽中帶出的煙絲量在整個(gè)軸向長(zhǎng)度上是相同的, 提取輥把煙絲均勻地分布在發(fā)送帶上, 然后煙絲經(jīng)發(fā)送進(jìn)入煙梗分離區(qū). 隨后實(shí)現(xiàn)煙絲和煙梗的分離, 較輕的煙絲在負(fù)壓作用下往上輸送至吸絲通道, 而較重的煙梗、煙絲團(tuán)在慣性作用下進(jìn)入紊流室內(nèi). 在紊流室內(nèi)流場(chǎng)作用下, 較重的煙梗通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥門落入煙梗返回通道并輸出, 而隨煙梗進(jìn)入的煙絲往上進(jìn)入吸絲通道內(nèi). 吸絲通道的煙絲通過(guò)調(diào)節(jié)板、分流塊均勻吸附在前后道吸絲帶上, 再往前輸送完成后續(xù)工序.

1—傳送鼓; 2—落絲槽; 3—松絲壓輥; 4—粗刺輥; 5—提取輥; 6—發(fā)送帶; 7—煙梗返回通道; 8—閘輥; 9—二次補(bǔ)風(fēng)口折頁(yè); 10—紊流室; 11—發(fā)送輥; 12—調(diào)節(jié)板; 13—吸絲通道; 14—分流塊; 15—風(fēng)室.

2 仿真建模

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.2 多孔介質(zhì)模型

在實(shí)際工程應(yīng)用中, 除雜后的物料經(jīng)提升通道吸附在吸絲帶上形成一定厚度的物料層, 為確定該局部的流動(dòng)阻力, 采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬該層. 多孔介質(zhì)模型通過(guò)在動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)來(lái)模擬計(jì)算域中多孔性材料對(duì)流體的流動(dòng)阻力, 考慮到本文分析的物料層為各向同性材料, 源項(xiàng)可表示為:

式中: r為空氣密度; m為粘度系數(shù); 1/α為粘性阻力系數(shù); C2為慣性損失系數(shù); u為多孔介質(zhì)層速度.

為獲得多孔介質(zhì)層粘性阻力和慣性損失系數(shù), 進(jìn)行了阻力實(shí)驗(yàn), 獲得壓差Δ和速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比, 確定該物料多孔介質(zhì)層的粘性阻力系數(shù)為2 × 108, 慣性阻力系數(shù)為5 × 103, 具體推導(dǎo)參見(jiàn)FLUENT用戶手冊(cè). 圖2為多孔介質(zhì)層流速與壓差關(guān)系的仿真與試驗(yàn)結(jié)果[5]的比較.

2.3 仿真模型及邊界

根據(jù)實(shí)物模型, 仿真模型如圖3所示. 二次分選進(jìn)氣口1和二次分選進(jìn)氣口2外接環(huán)境大氣, 風(fēng)室體負(fù)壓分兩路由左進(jìn)氣口和右進(jìn)氣口配置.

邊界條件設(shè)置為: 二次分選進(jìn)氣口1和二次分選進(jìn)氣口2為壓強(qiáng)入口邊界條件, 壓強(qiáng)值為0 Pa(相對(duì)大氣壓); 風(fēng)室體左進(jìn)氣口和右進(jìn)氣口為壓強(qiáng)入口邊界條件, 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定壓強(qiáng)值為-7 000 Pa(相對(duì)大氣壓).

吸絲帶下方煙絲層參數(shù): 在吸絲通道上方區(qū)域煙絲層為楔形, 吸絲通道右側(cè)極限位置設(shè)定2 mm厚度, 吸絲通道左側(cè)極限位置設(shè)定10 mm厚度; 吸絲通道外煙絲層厚度維持10 mm厚度不變. 吸絲通道外煙絲多孔介質(zhì)層與環(huán)境大氣接觸, 邊界條件為壓強(qiáng)入口邊界條件, 壓強(qiáng)值為0 Pa(相對(duì)大氣壓). 其余邊界設(shè)定墻邊界條件.

圖3 GD121原型仿真模型

3 仿真結(jié)果

圖4(a)、(b)分別為吸絲帶上、下壓強(qiáng)和上、下速度分布曲線; 圖5為吸絲帶局部斷面上的速度圖.

圖4 吸絲帶上、下壓強(qiáng)、速度分布曲線

表1 各邊界流量參數(shù)

二次分選10.153 1 二次分選20.131 3 風(fēng)室體右-0.306 5 風(fēng)室體左-0.236 9 其他0.259 0

從圖4和圖5可以看出, 前、后道相關(guān)參數(shù)一致, 壓強(qiáng)曲線重合, 表明前后道具有良好的對(duì)稱性; 吸絲帶上下壓差在橫坐標(biāo)約-1 000 mm處最大, 位置處于平整器前端, 較大的壓強(qiáng)差有利于形成較緊密的煙絲層, 減少平整器切割平整煙絲量, 降低回絲量. 吸絲帶下方氣流速度為14～15 m/s. 仿真獲得流量參數(shù)如表1所示.

4 結(jié)論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)GD121P吸絲成型部分進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,獲得相應(yīng)參數(shù)與工程吻合, 較好地驗(yàn)證了仿真分析方法和仿真模型的合理性.

建立該系統(tǒng)空氣流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值仿真的物理模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法, 為煙機(jī)工業(yè)中該類問(wèn)題的研究提供了有力的理論研究手段. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與對(duì)比, 建立吸絲帶上煙絲層多孔介質(zhì)模型, 獲得了GD121P機(jī)型流動(dòng)關(guān)鍵參數(shù), 尤其是吸絲帶上下壓差、流道速度特征等, 為后續(xù)研發(fā)工作提供了可靠的數(shù)據(jù)參考. 吸絲帶上下壓差在平整器前端較大, 有利于形成較緊密的煙絲層, 減少平整器切割平整煙絲量, 降低回絲量. 本文所建立的仿真模型和使用的仿真方法可推廣應(yīng)用于處理煙絲流一類復(fù)雜物料的吸附輸送問(wèn)題.

[1] 周奎田. 超高速卷接機(jī)組PROTOS2-2和GD121PLUS/16K喂絲機(jī)工作原理的比較與研究[A]. 中國(guó)煙草學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]. 合肥: 中國(guó)煙草學(xué)會(huì), 2010: 341—346.

[2] 黃娟. 煙草物料風(fēng)力輸送速度的分析和研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1999, 22(2): 130—133.

[3] 吳磊, 胡天群, 杜國(guó)鋒, 等. 煙絲氣力輸送特性試驗(yàn)與仿真[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯), 2011, 26(1): 123—128.

[4] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析: CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 11—12.

[5] 劉純捷, 胡天群, 吳磊,等. 流化床內(nèi)復(fù)雜物料氣力篩分問(wèn)題的數(shù)值仿真分析[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯), 2013, 28(2): 225—230.

CFD simulation analysis of the key technologies of suction and forming on GD121P cigarette rolling machine

XIAO YuLin1, SHEN Lei2, QIN ShiHui1, WU Lei2

(1. Changde Tobacco Machinery Co. Ltd, Changde 415000, China; 2. China Tobacco Machinery Technology Center Co. Ltd, Shanghai 200126, China)

Numerical simulations of computational fluid dynamics was applied to study the key technologies of suction and rod forming modeled on GD121P cigarette making machine, simulation method and simulation model of the problem was done and the porous media model of suction tapes was established based on experimental comparison, then the key pneumatic parameters near the suction tapes was acquired. The results shows that it had high differential pressure upon and down the suction tapes on the front of trimmer, which was conductive to the formation of tighter tobacco layer and reduce the amount of tobacco overfeed. Simulation result is accord with the accrual engineering.

suction tapes; suction and rod forming; simulation analysis

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.019

TS 43

1672-6146(2014)04-0075-03

email: lishirensheng@126.com.

2014-04-14

(責(zé)任編校: 江 河)