拉幅定型機烘房風管流場分析

徐 軍，陳海衛，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，節省了生產成本。何葉麗[3]介紹了在傳統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，所以說現有風管設計技術還有待改進，這也是紡織業需重點研究的課題。

本文通過Fluent軟件對現有拉幅定型機烘房風管進行仿真分析，根據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。

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 風管內流場的參數化建模

2.1 模型的建立和網格的劃分

因為風管內部尺寸較小且比較復雜，所以本文通過C語言建立參數化模型，將風管的尺寸及角度設置為參數，以便于參數化分析，通過C語言編譯出在Gambit軟件中所需要的劃分網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[7]。

通過雷諾數 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，d為特征長度，可以計算出當流體流速較小如0.5m/s時，雷諾數都滿足Re=4904＞4000，所以確定風管內流場為湍流。根據空氣的固有屬性，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[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據的對比圖。

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 風管的參數化仿真分析

本節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小節的分析可知，現有風管各小孔出口處的流速大小已經比較均勻，所以本文中風管參數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據進行后續處理。

3.1 風管錐度β對流場的影響

分析β對氣流影響時，根據現有風管實際尺寸，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.竹膠板行業蒸汽烘房的模擬分析與優化[J].機電產品開發與創新，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].機電產品開發與創新，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.