棉紡異纖分揀機廢棉通道結構的優化仿真

孫 戩 姜博藝 張守京 胡 勝

（西安工程大學，陜西西安，710048）

棉花中的異性纖維，簡稱異纖［1］，會極大影響紡織品質量，在棉花加工前須將異纖撿出。人工分揀［2］撿出效率低、人工成本高。異纖分揀機的出現在很大程度上解決了這一問題。

異纖分揀機分為輸棉通道、圖像識別系統、剔除系統等三部分。在輸棉通道含有異纖的棉流分別通過異纖識別和剔除位置檢測，最終完成異纖剔除［3-4］。目前，對異纖識別的研究中，識別效率達 到90%以 上［5-6］，但 異 纖 剔 除 準 確 性 只 達 到85%左右，而其清除效率只有75%［7］47。因此，從異纖剔除準確性入手，清除效率還有很大提升空間。CHEN T等人對異纖分揀機氣流通道數值仿真發現，較大噴嘴直徑、落棉箱入口寬度以及較小入口速度均有利于異纖剔除［8-9］。杜玉紅等人采用拉瓦爾剔除噴管并進行矩形截面轉換，使出口速度更均勻，能耗更小［10］。姜博藝等人對異纖分揀機輸棉通道結構進行優化，得到更平穩的輸棉速度。在廢棉通道內，存在異纖返回或滯留等問題，從而降低了異纖清除效率［11］。本研究針對CS808型異纖分揀機異纖返回輸棉通道和滯留問題［7］47，采用Fluent流體仿真軟件，對其流場進行數值仿真，通過研究廢棉風機出口壓力和補風口大小對流場的影響，對廢棉通道進行優化，以減少異纖受廢棉通道內流場影響而出現的滯留及返回現象，達到提高異纖清除效率的目的。

1 廢棉通道優化前期準備

1.1 廢棉通道幾何模型

根據CS808型異纖分揀機結構得到輸棉及廢棉通道三維模型，見圖1。通道均為矩形截面，高度80 mm，寬度1 200 mm，輸棉風機壓力120 Pa。廢棉通道位于距離輸棉通道出口204.5 mm位置，由連接通道、廢棉通道入口段和剔除段組成，連接通道為輸棉通道和補風口之間的梯形通道，廢棉通道入口段為補風口位置下的直通道。補風口可調節插板改變補風口大小，最大寬度10 mm。廢棉通道出口配有可調節廢棉風機，風壓范圍300 Pa～1 000 Pa。理論上，在連接通道內形成“相對靜態區”，將輸棉通道和廢棉通道流場隔開，互不影響。當電磁閥接到噴氣指令后，高速氣流攜帶異纖穿過靜態區進入廢棉通道被廢棉風機吸入廢棉袋。

1.2 網格劃分及邊界條件設置

采用全六面體網格對計算域進行網格劃分，總數為1 737 300個。定義棉流入口及補風口為壓力入口，棉流出口及廢棉風機位置為壓力出口，其他均為壁面。

1.3 求解設置

由于氣流速度相對較小，采用不可壓縮空氣；湍流模型選擇標準k-ε模型，基于壓力求解；棉流入口壓力0 Pa，棉流出口壓力-120 Pa，補風口處壓力0 Pa，廢棉風機位置壓力根據仿真廢棉風機壓力而定。設置殘差以及對出口位置的質量流率進行檢測，以保證計算結果收斂。

2 廢棉通道分析研究

由于廢棉風機壓力和補風口大小均可調，分別在廢棉風機不同壓力及不同補風口條件下進行分析。

2.1 不同廢棉風機壓力

補風口完全打開時，分析不同廢棉風機出口壓力對廢棉通道內流場的影響。根據廢棉風機風壓范圍，選用300 Pa～700 Pa范圍內5種風機壓力。對比不同風機壓力下通道內速度流場發現，隨廢棉風機壓力升高，連接通道內速度增大，上側壁面位置最為顯著，由4.0 m/s增至8.0 m/s。入口段中心區域速度減小，且最大速度區域縮小，并靠近下側補風口位置。

對不同壓力下的速度矢量及速度角度進行對比。速度角度是速度矢量與Z軸正方向的夾角，可表征流場內速度方向。廢棉風機壓力300 Pa時，寬度方向600 mm截面的速度矢量圖和速度角度圖見圖2。

圖2 風機壓力300 Pa時600 mm截面速度圖

由圖2可知，在廢棉通道入口段存在速度方向指向輸棉通道區域，會阻礙異纖剔除或使異纖返回輸棉通道。在通道兩側壁面受補風口和風機壓力影響，氣流速度相反，則有渦旋產生。連接通道內大部分區域速度為1.4 m/s～2 m/s，方向偏向于輸棉通道。靠近上側壁面位置，也有渦旋存在。在不同廢棉風機壓力下，速度角度變化較小。壓力升高使連接通道內上側壁面位置速度增大，渦旋位置逐漸靠近通道中心位置，與入口段內的渦旋合并，并對輸棉通道內流場產生影響。

通過對不同廢棉風機壓力進行分析發現，較小的風機壓力在出口位置速度較小，但在連接通道內上側壁面位置流向入口段速度大小及范圍均最小，且不影響輸棉通道內氣流。因此，廢棉風機壓力在300 Pa時，流場特性最佳。

2.2 補風口大小

廢棉風機壓力為300 Pa時，分析補風口大小對廢棉通道內流場影響。分別對補風口寬度為8 mm、6 mm、4 mm、2 mm時流場進行分析，并分析截面的速度分布情況。

隨補風口的減小，連接通道和入口段在靠近上側壁面位置，趨于剔除通道的速度和范圍均增大。補風口寬度為8 mm、6 mm時，趨向于輸棉通道的最大速度區域減小。但補風口寬度小于6 mm時，會影響輸棉通道的流場。在廢棉風機壓力300 Pa下，調節補風口的大小并不會產生明顯優化效果，且當補風口寬度小于6 mm時，對輸棉通道產生影響。因此，使用完全打開的補風口，流場效果更優。

3 廢棉通道優化

在廢棉風機壓力為300 Pa，補風口完全打開時，對廢棉通道結構進行優化。結合異纖分揀機結構特點和機理，提出減小連接通道出口寬度、入口段長度、連接通道高度和改變剔除通道結構以及采用雙廢棉風機等5種優化方案，并分別探究各方案的有效性。

3.1 連接通道出口寬度優化

將連接通道出口寬度縮小20 mm，以減小連接通道內速度受廢棉風機出口壓力的影響程度。圖3為優化連接通道出口寬度600 mm截面速度云圖及速度角度圖。

由圖3可知，減小連接通道出口寬度，可使連接通道內速度分布更均勻，且速度區間由1.3 m/s～2.0 m/s減小為0.67 m/s～1.3 m/s。在靠近連接通道上側壁面渦旋范圍縮小，減小對異纖剔除產生影響的可能性。速度角度也隨之增大。

圖3 優化連接通道出口寬度600 mm截面速度圖

3.2 入口段長度優化

廢棉通道入口段中心位置速度方向趨向于輸棉通道，阻礙異纖剔除，則縮短入口段長度來減小阻力。將入口段長度減小60 mm后發現，優化后的整體速度分布更優。在入口段內偏向輸棉通道的速度區域縮小，異纖剔除的阻力減小。在連接通道內速度趨勢有了明顯改善，在200 mm截面處，速度角度由108°～119°增大至131°～143°，在600 mm截面處，大 部 分 區 域 為155°～167°。因此，優化后連接通道內的氣流受輸棉通道影響更小，有利于異纖的剔除。

3.3 連接通道高度優化

將連接通道高度減小40 mm，以分析它對速度分布的影響。圖4為減小連接通道高度后，600 mm處截面的速度云圖及速度角度圖。由圖4可知，優化連接通道高度與優化入口段長度結果一致。可結合兩種優化方案，使異纖從輸棉通道至廢棉剔除通道之間距離減小，確保攜帶異纖的高速氣流保持更高的速度，提高異纖剔除準確率。

圖4 優化連接通道高度600 mm截面速度圖

3.4 廢棉剔除通道優化

優化廢棉剔除通道內壁面，將其直徑減小20 mm，風機包覆角度由223°增大至240°，并對不同風機壓力下的流場進行對比。圖5為優化廢棉剔除通道寬度方向600 mm處截面速度云圖和速度角度圖。由圖5可知，優化剔除通道使連接通道內速度分布更均勻，速度降低，速度角度增大。且隨廢棉風機壓力增大，連接通道內的速度增大，入口段速度減小，整體速度角度增大。當風機壓力為500 Pa時，入口段速度角度最低為108°，連接通道內靠近輸棉通道位置，速度角度接近180°，在靠近入口段位置最小，為143°。風機壓力為300 Pa時，連接通道內流場不受補風口氣流影響。

圖5 優化剔除通道600 mm截面速度圖

3.5 雙廢棉風機

使用單個廢棉風機時，整體流場不均勻。因此，采用雙廢棉風機，即在原廢棉風機對面位置增設相同風機壓力的廢棉風機。并分別研究風機壓力300 Pa、250 Pa、200 Pa、150 Pa時的流場。圖6為300 Pa和150 Pa時截面速度流場。

圖6 雙風機不同壓力下截面速度流場

由圖6（a）可知，連接通道內上側壁面附近流入剔除通道的速度及范圍均增大，并對輸棉通道內流場產生影響，其余位置速度大小不變，方向近似垂直指向輸棉通道。因此，在300 Pa壓力下，雙廢棉風機流場較劣。由圖6（b）可知，當雙廢棉風機壓力為150 Pa時，連接通道內上側壁面附近流入剔除通道的范圍顯著減小，且最大速度減小為1.9 m/s，其他區域小于0.94 m/s，但速度方向和壓力與300 Pa時相同。入口段內通道中心區域速度更小。寬度方向不同截面速度流場相對于單廢棉風機更均勻。因此，雙廢棉風機壓力為150 Pa時，在連接通道內速度流場更優。

4 結論

（1）通過對不同廢棉風機壓力和補風口大小研究發現，廢棉風機壓力為300 Pa，補風口完全打開時，流場性能最佳。

（2）減小連接通道出口寬度、入口段長度和連接通道高度的優化效果較好，且結合后兩種方案，可減小剔除噴管的速度衰減，使其保持更高的速度，確保將異纖吹入剔除通道，完成異纖的剔除。

（3）對廢棉剔除通道內壁面進行優化，使連接通道內速度分布更均勻，隨廢棉風機壓力的增大，連接通道內的速度略有增大，入口段速度減小，整體速度角度增大，有利于異纖的剔除。

（4）雙廢棉風機方案的風機壓力在150 Pa時效果較優，入口段速度流場變化較小，在連接通道內整體速度顯著減小，均勻性更優，可進行推廣使用。此方案對雙風機實際應用提供了參考依據。