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SolidWorks Flow Simulation在气流纺纱机中的应用

发布时间:2019-05-21人气:

  本文使用 SolidWorks Flow Simulation 对一款典型的气流纺纱机核心部件进行了CFD分析,通过流体动力学仿真分析,可以直观地观察纺纱机内部流线分布和纺纱纤维的运动过程,并通过比较不同的壁面粗糙度参数计算结果,分析了纺纱机壁面粗糙度对纱线成型的影响。

  一、引言

  气流纺纱机又叫转杯纺纱机,气流纺纱有速度大,纱卷大,适应性广,机构简单,不用锭子、钢领、钢丝圈的优点,可成倍地提高细纱的产量。在各种新型纺纱方法与技术中,气流纺纱由于其技术和产品的实用性,得到了大量的推广与应用。气流纺纱的基本工作原理是,将纤维随气流输送到高速回转的转杯内壁,在凝聚槽内形成纱尾,同时被加拈成纱引出,直接绕成筒子。

  气流纺纱过程中输入的气流不是单一的空气气体,其中含有大量的纺织纤维,如何使用软件进行可视化的CFD模拟分析,是非常具有挑战的问题。本文采用专业的计算流体动力学分析软件 SolidWorks Flow Simulation 对气流纺纱过程进行数值模拟,分析了内部流体的速度场和压力场分布等,并通过粒子追踪方法,分析了纤维粒子的旋转流动过程。

  二、模型组成及分析说明

  气流纺纱机的原始模型含有密封垫、轴承、螺栓等部件,非常复杂。为方便计算分析,本文对原始模型进行了简化处理,其结构基本组成及坐标系如图1。

  模型组成

  图1 模型组成

  模型由定子、高速转子和外壳三部分组成。其中气流入口在定子上,直径为1mm,入口流体的质量流率为0.0002026kg/s,高速转子的转动速度为130000r/min,出口处的压力边界条件为96325Pa。

  首先,使用FlowSimulation分析不含纤维粒子的气体流动,实际问题中纤维对气体的影响忽略不计;然后在该气体流动迹线分析结果的基础上进行纤维粒子流动分析。

  三、模型创建

  1.初始设置

  使用FlowSimulation中提供的自动向导创建功能,进行如下设定,国际制(SI)长度单位为mm,旋转速度单位为r/min,质量流率单位为kg/h;分析类型为内部流动,排除内部没有流动条件的空腔;流体类型为空气;默认初始条件;结果求解精度等级设为4,最小间隙设为1mm,其他默认设置。

  2.边界条件

  按图1所示设置入口和出口边界条件,入口质量流率为0.73kg/h(图2),出口静压为96325Pa(图3),指定如图4所示的真实壁面旋转条件,指定旋转速度。

  入口边界条件

  图2 入口边界条件

  出口边界条件

  图3 出口边界条件

  真实壁面

  图4 真实壁面

  3.初始条件

  为了加快收敛计算速度,设置壳体内部切向气体初始速度为40m/s。在FlowSimulation中通过设置两个方向的初始条件来实现,此处不再赘述。

  四、结果分析

  图5是内部流体速度场分布,从图中可以知道,最大速度位于气体入口处和转子壁面处;图6是Y向(竖直方向)速度分量图,从图中可知,出口处的Y向速度场较大,这与实际情况非常吻合。同时也可以发现,在壳体底部和转子壁面处,Y向速度场接近于0,这说明在这些壁面处,有可能出现运动接触后反弹。流动迹线显示如图7、图8所示。

  流体速度场分布

  图5 流体速度场分布

  流体速度场Y向分量

  图6 流体速度场Y向分量

  光滑壁面流动迹线

  图7 光滑壁面流动迹线

  粗糙壁面流动迹线

  图8 粗糙壁面流动迹线

  五、粒子流动分析

  设置纺织纤维粒子材料为聚苯乙烯(Polystyrene),使用反射壁面条件。设置两种流动粒子,一种半径为0.005mm(5μm),另一种半径为0.015mm(15μm),结果图9和图10所示。

  光滑壁面粒子流动(5μm)

  图9 光滑壁面粒子流动(5μm)

  光滑壁面粒子流动(15μm)

  图10 光滑壁面粒子流动(15μm)

  六、壁面粗糙度的比较

  使用500μm的壁面粗糙度进行计算,设置两种流动粒子,一种半径为0.005mm(5μm),另一种半径为0.015mm(15μm),结果如图11和图12所示。从分析结果来看,增加壁面粗糙度对Y向速度场分布没有太大影响,如图13和图14,壁面粗糙度主要影响ZX平面内的速度场分布,如图15和图16。此外,从图7和图8的流动迹线对比可以看出,增加壁面粗糙度对流动迹线的速度大小有很大的影响。

  粗糙壁面粒子流动(5μm)

  图11 粗糙壁面粒子流动(5μm)

  粗糙壁面粒子流动(15μm)

  图12 粗糙壁面粒子流动(15μm)

  粗糙壁面流体速度场分布

  图13 粗糙壁面流体速度场分布

  粗糙壁面流体速度场Y向分量

  图14 粗糙壁面流体速度场Y向分量

  光滑壁面XZ平面流体速度场分布

  图15 光滑壁面XZ平面流体速度场分布

  粗糙壁面XZ平面流体速度场分布

  图16 粗糙壁面XZ平面流体速度场分布

  七、结语

  SolidWorks Flow Simulation 可以很好解决气流纺织机械这类包含纤维或者粒子的复杂流体CFD计算问题,通过二次仿真计算可以直观观察流体的速度场和压力场、粒子的运动状况,为结构的合理设计提供有力的参考。

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