一种新型均匀扩散器流场的数值模拟

　　目前的异性纤维检出设备,大部分都是使原棉开松后经特殊风管,散布于一定的工作宽度上(流场扩散器部分),在两侧用高分辨率的彩色线扫描摄象机或图像传感器阵列,将经过的原料图像接收下来,然后计算机对记录下的图像进行分析,分辨出与原棉颜色和尺寸不同的杂质,当含杂质的原料被气流输送到排杂区时,横向排列的空气喷嘴根据杂质所处的位置射出高压空气,将杂质吹落入排杂箱中[1]。但由于棉流输送时速度不均匀会使空气喷嘴将棉花纤维也吹入排杂箱中,从而使落棉率升高,影响整个系统的工作效率。为了降低落棉率,很有必要对流场扩散器的流场进行数值模拟,通过改进扩散器的结构参数,得到理想的稳定的流场,进而提高整个系统的清除效率。东华大学纺织学院程隆棣教授等人设计了一种新型流场均匀扩散器,本文针对这种新型扩散器进行数值模拟,通过对计算结果进行分析,对结构进行优化。

　　1　数学模型

　　由于新型扩散器的结构比较复杂,如果把内部流体用两相流理论进行计算比较困难,为了简化计算,本文作了如下假设:空气和混合于其中的纤维混合均匀。用单相流模式计算且取混合流体的密度比空气密度略大,即ρ混=1.725kg/m3(空气密度为ρ空=1.225kg/m3)。对于定常不可压湍流有:

　　连续性方程

　　动量方程

　　式中ρ是流体密度,ui是流体速度分量,p是静压力,Fi是彻体力分量,μ是动力粘性系数,由于一般情况下μ是温度的函数,所以方程很复杂。对于常用的情况,可以不考虑μ随空间位置的变化,可作为常量而写到导数符号之外。运用连续方程式(1),则动量方程改写为

　　其中ν是运动粘性系数,ν=μρ。

　　对于不可压缩流体,密度为已知的常数,所以由连续性方程(1)和动量方程(2)已构成一个关于压力和速度的封闭方程组。而本文不涉及能量交换问题,所以不需要求解能量方程。

　　2　对新型流场均匀扩散器模型进行建模计算

　　新型流场均匀扩散器模型如图(1)所示,入口为圆形管道,出口段为宽1m的矩形管。该模型的各部分尺寸标注如图(2)所示。

　　该模型由东华大学纺织学院程隆棣教授等人设计。为了找出扩散器内部稳定的流场,在不影响模型性能的前提下,适当地延长出口段管长。建模采用Fluent软件中前处理软件Gambit,由于模型结构比较复杂,为了使网格有很好的适应性,采用非结构网格,求解区域用网格分割成有限个控制体,网格为控制体积的边界,而不是计算节点,为保证守恒,控制体必须是不重叠的。网格划分如图(3)所示。

　　3　Fluent中边界条件的设置