張孟杰張志欣任泉遠昃向博

（1.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022；2.濟南元首針織股份有限公司，濟南 250033）

基于CFD的溢流染色機J形儲布槽流場分析

張孟杰1張志欣1任泉遠2昃向博1

（1.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022；2.濟南元首針織股份有限公司，濟南 250033）

建立溢流染色機的數(shù)字樣機，借助計算流體動力學仿真軟件，針對J形儲布槽進行流場模擬仿真分析。結(jié)果表明：J形儲布槽入口壓強、流速分布較為均勻穩(wěn)定；折彎處上邊沿壓強低、流速快、溫度較低，下邊沿壓強高、流速低、溫度較高，同時為溢流染色機的J形儲布槽結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化提供理論參考。

溢流染色機 計算流體動力學 J形儲布槽 流場分析

溢流染色機一般由機體、噴嘴、提布羅拉、J形儲布槽、集水槽、掉布自停機構(gòu)、擺布機構(gòu)、計量槽、循環(huán)泵、熱交換器、自動控制系統(tǒng)等部分組成，其中，J形儲布槽是溢流染色機中儲存坯布或織物的重要功能部件，其主要作用是靠重力和水流沖力或擠壓推動織物前移[1]。J形儲布槽結(jié)構(gòu)和應用功能是保證滿足織物在J形儲布槽中折皺少、運行流暢、摩擦小等要求的重要影響因素，因此，對J形儲布槽內(nèi)部流場分析研究十分必要。

隨著CFD（計算流體動力學）仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，很多研究人員將其應用到溢流染色機的研究中。張朝陽[2-3]等人運用CFD軟件Fluent研究了圓噴嘴內(nèi)流場對氣鼓現(xiàn)象的影響；楊利利[4]等人運用CFD軟件Fluent對圓噴嘴內(nèi)溫度場分布進行了相關(guān)研究。本文針對J形儲布槽，利用CFD仿真軟件研究其內(nèi)部流場分布情況，為此類溢流染色機的J形儲布槽結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

1 幾何模型

為了探討J形儲布槽內(nèi)部流場分布，對溢流染色機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行簡化處理，圖1為溢流染色機流道結(jié)構(gòu)簡化三維幾何模型，主要流通區(qū)域包括噴嘴、擺布機構(gòu)（橫擺布機構(gòu)和縱擺布機構(gòu)）、J形儲布槽等。噴嘴與擺布機構(gòu)之間通過彎管連接，染液流通噴嘴以及J形儲布槽變化較多，其流場分布變化往往對染色機的工作性能有一定影響。該溢流染色機選用J形儲布槽，即J形儲布槽底部不含直線段，其儲布槽底部幾何形狀為圓弧。

圖1 溢流染色機流道結(jié)構(gòu)簡化模型

2 流場仿真前處理

2.1 數(shù)學模型

溢流染色機內(nèi)部染液流動過程受物理守恒定律制約，其流體流動和傳熱的基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[5]。流體為不可壓縮流動，密度為常數(shù)，其能量守恒方程[6]為：

式中，p為流體密度(矢量)；v—為流體速度矢量；T為流體溫度；λ為流體的導熱系數(shù)；CP為流體比熱容；St為粘性耗散項。

2.2 邊界條件設置

采用前處理軟件GAMBIT對三維幾何模型進行劃分網(wǎng)格以及邊界條件設定，圖2為溢流染色機模擬計算網(wǎng)格圖，總計算網(wǎng)格數(shù)為200萬。本文選取VOF多相流模型為溢流染色機流道內(nèi)氣液兩相流分析模型，控制方程采用三維、黏性、不可壓縮的雷諾平均k-方程，湍流方程采用標準的k-模型[7]。在模擬仿真時，溶液入口邊界條件為速度入口，設置參數(shù)為熱流體溫度、速度、湍動能和湍流耗散率，氣相入口邊界條件為速度入口，設置參數(shù)為空氣溫度、湍流強度、入口尺寸，出口邊界件為outflow，殼體為導熱壁面，其導熱系數(shù)取50W/(m.c)。根據(jù)實際生產(chǎn)中測量數(shù)據(jù)，模擬仿真過程中染液的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖2 溢流染色機模擬計算網(wǎng)格圖

圖3 J形儲布槽中間截面壓強分布云圖

圖4 J形儲布槽中間截面速度分布云圖

表1 染液物理性質(zhì)參數(shù)

3 流場仿真后處理

為了更好地獲得J形儲布槽內(nèi)部的氣液兩相流流場分布情況，在后處理過程中將噴嘴、擺布結(jié)構(gòu)、機體外殼等進行隱藏處理，通過Surface選項創(chuàng)建J形儲布槽中間截面，從而通過中間截面觀測J形儲布槽內(nèi)部的流場分布情況。

3.1 壓強分布情況

圖3中（b）圖為染液進口速度為6.5m/s時，J形儲布槽中間截面的壓強分布云圖，從結(jié)果可得，在J形儲布槽的折彎上邊沿處的壓強為負值，而在折彎的下邊沿處壓強為正值，且壓強較高；在J形儲布槽的入口處及向下未到折彎的地方壓強分布較為均勻，在將要到達折彎的地方壓強開始有所變化；沿著J形儲布槽的上邊沿壓強開始減小，沿著J形儲布槽的下邊沿壓強開始增大，且在折彎處J形儲布槽的壓強梯度變化較大。

圖3中（a）圖為染液進口速度為5.5m/s時，J形儲布槽中間截面的壓強分布云圖，從結(jié)果可得，J形儲布槽內(nèi)整體壓強分布也無明顯變化，但相對于染液進口速度為6.5m/ s時J形儲布槽內(nèi)壓強分布情況，J形儲布槽壓強分布在接近J形儲布槽入口處即開始變化，有了明顯的壓力梯度變化，但就整體的壓強分布情況而言，壓強梯度變化不明顯。

圖3中（c）圖為染液進口速度為7.5m/s時，J形儲布槽中間截面的壓強分布云圖，從結(jié)果可得，J形儲布槽內(nèi)整體壓強分布無明顯變化，但相對于染液進口速度為6.5m/s時J形儲布槽內(nèi)壓強分布情況，J形儲布槽折彎上邊沿處的壓強略微減小，而在折彎的下邊沿處壓強略微增大，即J形儲布槽內(nèi)的壓強梯度變化增大；且在折彎處上邊沿壓強負值分布區(qū)域變小，下邊沿壓強最大值分布區(qū)域也減小，壓強梯度變化更加明顯。

3.2 速度分布情況

圖4中（b）圖為染液進口速度為6.5m/s時，J形儲布槽中間截面的速度分布云圖，從結(jié)果可得，從J形儲布槽的入口往下的豎直部分，染液以穩(wěn)定的速度向下流動，且流動的方向穩(wěn)定；在J形儲布槽折彎處，染液開始隨著J形儲布槽結(jié)構(gòu)形狀的改變在速度和流向上都發(fā)生了變化；在J形儲布槽的上邊沿，染液的流速迅速加快且方向隨著上邊沿迅速變化，在J形儲布槽的中心位置，染液仍然按照與入口時基本相同的速度進行流動，只是方向發(fā)生變化，在J形儲布槽的下邊沿，染液的速度下降，且方向也隨著下邊沿發(fā)生變化；整體看來，在J形儲布槽的折彎處，由其上邊沿到下邊沿染液的速度由大變小，幅度從9.32m/s到3.99m/s逐漸變??；因J形儲布槽的出口高度小于入口高度，因此，染液在J形儲布槽的出口處仍然保持較高的速度，但出口的速度要比折彎處的速度小，并且在出口處染液有向J形儲布槽下邊沿流動的趨勢。

圖4中（a）、（c）圖為染液進口速度分別為5.5m/s、7.5m/s時，J形儲布槽中間截面的速度分布云圖，從結(jié)果可得，兩速度下J形儲布槽內(nèi)染液的流場結(jié)構(gòu)分布同染液流速為6.5m/s時染液流場結(jié)構(gòu)相比無明顯變化，但當染液速度為5.5m/s時，J形儲布槽內(nèi)染液的速度梯度變化相對較小，而當染液速度為7.5m/s時，J形儲布槽內(nèi)染液的速度梯度較大。相同之處是在J形儲布槽折彎下邊沿流速都較小，在折彎處的上邊沿流速較大。這也使織物有在下邊沿堆積的趨勢，即同時進入J形儲布槽的織物會在不同的時間流出J形儲布槽。

3.3 溫度分布情況

圖5為溢流染色機中間截面溫度分布云圖，從結(jié)果可得，噴嘴處的溫度相對其他結(jié)構(gòu)部件溫度較高，且溫度梯度也較大，在遠離噴嘴的區(qū)域，溫度相對噴嘴較低，且溫度梯度也較小。主要是因為機體內(nèi)部空氣的流動，機體壁面與外界低溫環(huán)境的熱量交換。擺布機構(gòu)在染色過程中的擺動產(chǎn)生了少量熱量，擺布機構(gòu)的擺動同時加劇了機體內(nèi)空氣的流動，因此產(chǎn)熱與散熱基本抵消，而J形儲布槽在工作過程中沒有運動，也沒有產(chǎn)生熱量，其溫度是染液傳遞到J形儲布槽的熱量導致的，相對噴嘴與擺布機構(gòu)，其溫度相對較低。

圖5 染色機中間截面溫度分布云圖

從上述仿真結(jié)果可得，J形儲布槽底部壓力較高，流速較低，溫度較高，J形儲布槽頂部壓力較低，流速較高，溫度較低。這種溫度分布情況可能是因為J形儲布槽底部的較高壓力使流速降低，導致織物在J形儲布槽底部堆積，從而產(chǎn)生熱量集中，這部分熱量又傳遞到機體外殼的底面，導致底面溫度較高。而在J形儲布槽的頂部低壓力使流速變大，織物快速向前運行并帶走部分熱，從而溫度相對較低。

4 結(jié)語

J形儲布槽入口壓強分布較為均勻穩(wěn)定J形儲布槽折彎處壓強變化較為明顯，從上邊沿到下邊沿壓強值逐漸增大，隨著染液流速的增加，壓強梯度變化越明顯。

J形儲布槽入口流速分布較為均勻穩(wěn)定J形儲布槽折彎處流速變化較為明顯，從上邊沿到下邊沿流速逐漸減小，隨著染液流速的增加，速度梯度變化越為明顯。

溢流染色機流道結(jié)構(gòu)中，噴嘴內(nèi)部溫度較高，J形儲布槽溫度較低；J形儲布槽底部溫度較高，頂部溫度較低。

J形儲布槽內(nèi)部壓強、流速分布情況與溫度場分布相互對應，驗證了流場仿真分析的可靠性。

隨著計算流體動力學仿真技術(shù)的不斷提高及數(shù)字模型的進一步完善，其仿真結(jié)果與實際工況之間的誤差將進一步縮小。

[1]弓志峰.流體染色機的五大動力系統(tǒng)[J].針織工業(yè)，2005，（11）：46.

[2]張朝陽，昃向博，楊學峰，等.圓噴嘴內(nèi)流場對氣鼓現(xiàn)象的影響與結(jié)構(gòu)改進[J].濟南大學學報：自然科學版，2011，（1）：98-102.

[3]昃向博，張朝陽，楊學峰，等.溢流染色機圓噴嘴流場建模與渦流場仿真分析[J].紡織學報，2011，（1）：129-134.

[4]楊利利，昃向博，宋強，等.溢流染色機噴嘴熱分布與結(jié)構(gòu)關(guān)系分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2012，（6）：1-3.

[5]周俊杰，徐國權(quán)，張華俊.FLUENT工程技術(shù)與實例分析[M].北京：中國水利水電出版社，2010．

[6]付磊，曾燚林，唐克倫，等.管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數(shù)值模擬[J].壓力容器，2012，（2）：36-41.

[7]李鵬飛，徐敏一，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M].北京：人民郵電出版社，2011.

Field Analysis of J-shaped Storage Cloth Tank of Overflow Dyeing Machine Based on CFD

ZHANG Mengjie1,ZHANG Zhixin1,REN Quanyuan2,ZE Xiangbo1
(1.School of Mechanical Engineering, University of Ji nan, Jinan 250022；2.Jinan Yuanshou Knitting Co., Ltd.,Jinan 250033)

The digital prototype of overflow dyeing machine is established.The field simulation analysis of J-shaped storage cloth tank is use d with the CFD simulation software.The results showed that:The velocity distribution and pressure distribution of J-sha ped storage cloth tank inlet is uniform and stable;the character of upper edge of the bend area is low pres sure,fast flow rate,low temperature,and the character of under edge of the bend area is high pres sure, low flow rate,high tem perature. It provides theoretical references for J-sha ped storage cloth tank st ructure design and optimization of overflow dyeing machine.

overflow dyeing machine,CFD,J-shaped storage cloth tank,field analysis

山東省科學技術(shù)發(fā)展計劃項目（2013GGX10321）。