棉纺异纤分拣机废棉通道结构的优化仿真

孙 戬 姜博艺 张守京 胡 胜

（西安工程大学，陕西西安，710048）

棉花中的异性纤维，简称异纤［1］，会极大影响纺织品质量，在棉花加工前须将异纤捡出。人工分拣［2］捡出效率低、人工成本高。异纤分拣机的出现在很大程度上解决了这一问题。

异纤分拣机分为输棉通道、图像识别系统、剔除系统等三部分。在输棉通道含有异纤的棉流分别通过异纤识别和剔除位置检测，最终完成异纤剔除［3-4］。目前，对异纤识别的研究中，识别效率达 到90%以 上［5-6］，但 异 纤 剔 除 准 确 性 只 达 到85%左右，而其清除效率只有75%［7］47。因此，从异纤剔除准确性入手，清除效率还有很大提升空间。CHEN T等人对异纤分拣机气流通道数值仿真发现，较大喷嘴直径、落棉箱入口宽度以及较小入口速度均有利于异纤剔除［8-9］。杜玉红等人采用拉瓦尔剔除喷管并进行矩形截面转换，使出口速度更均匀，能耗更小［10］。姜博艺等人对异纤分拣机输棉通道结构进行优化，得到更平稳的输棉速度。在废棉通道内，存在异纤返回或滞留等问题，从而降低了异纤清除效率［11］。本研究针对CS808型异纤分拣机异纤返回输棉通道和滞留问题［7］47，采用Fluent流体仿真软件，对其流场进行数值仿真，通过研究废棉风机出口压力和补风口大小对流场的影响，对废棉通道进行优化，以减少异纤受废棉通道内流场影响而出现的滞留及返回现象，达到提高异纤清除效率的目的。

1.1 废棉通道几何模型

根据CS808型异纤分拣机结构得到输棉及废棉通道三维模型，见图1。通道均为矩形截面，高度80 mm，宽度1 200 mm，输棉风机压力120 Pa。废棉通道位于距离输棉通道出口204.5 mm位置，由连接通道、废棉通道入口段和剔除段组成，连接通道为输棉通道和补风口之间的梯形通道，废棉通道入口段为补风口位置下的直通道。补风口可调节插板改变补风口大小，最大宽度10 mm。废棉通道出口配有可调节废棉风机，风压范围300 Pa～1 000 Pa。理论上，在连接通道内形成“相对静态区”，将输棉通道和废棉通道流场隔开，互不影响。当电磁阀接到喷气指令后，高速气流携带异纤穿过静态区进入废棉通道被废棉风机吸入废棉袋。

1.2 网格划分及边界条件设置

采用全六面体网格对计算域进行网格划分，总数为1 737 300个。定义棉流入口及补风口为压力入口，棉流出口及废棉风机位置为压力出口，其他均为壁面。

1.3 求解设置

由于气流速度相对较小，采用不可压缩空气；
湍流模型选择标准k-ε模型，基于压力求解；
棉流入口压力0 Pa，棉流出口压力-120 Pa，补风口处压力0 Pa，废棉风机位置压力根据仿真废棉风机压力而定。设置残差以及对出口位置的质量流率进行检测，以保证计算结果收敛。

由于废棉风机压力和补风口大小均可调，分别在废棉风机不同压力及不同补风口条件下进行分析。

2.1 不同废棉风机压力

补风口完全打开时，分析不同废棉风机出口压力对废棉通道内流场的影响。根据废棉风机风压范围，选用300 Pa～700 Pa范围内5种风机压力。对比不同风机压力下通道内速度流场发现，随废棉风机压力升高，连接通道内速度增大，上侧壁面位置最为显著，由4.0 m/s增至8.0 m/s。入口段中心区域速度减小，且最大速度区域缩小，并靠近下侧补风口位置。

对不同压力下的速度矢量及速度角度进行对比。速度角度是速度矢量与Z轴正方向的夹角，可表征流场内速度方向。废棉风机压力300 Pa时，宽度方向600 mm截面的速度矢量图和速度角度图见图2。

图2 风机压力300 Pa时600 mm截面速度图

由图2可知，在废棉通道入口段存在速度方向指向输棉通道区域，会阻碍异纤剔除或使异纤返回输棉通道。在通道两侧壁面受补风口和风机压力影响，气流速度相反，则有涡旋产生。连接通道内大部分区域速度为1.4 m/s～2 m/s，方向偏向于输棉通道。靠近上侧壁面位置，也有涡旋存在。在不同废棉风机压力下，速度角度变化较小。压力升高使连接通道内上侧壁面位置速度增大，涡旋位置逐渐靠近通道中心位置，与入口段内的涡旋合并，并对输棉通道内流场产生影响。

通过对不同废棉风机压力进行分析发现，较小的风机压力在出口位置速度较小，但在连接通道内上侧壁面位置流向入口段速度大小及范围均最小，且不影响输棉通道内气流。因此，废棉风机压力在300 Pa时，流场特性最佳。

2.2 补风口大小

废棉风机压力为300 Pa时，分析补风口大小对废棉通道内流场影响。分别对补风口宽度为8 mm、6 mm、4 mm、2 mm时流场进行分析，并分析截面的速度分布情况。

随补风口的减小，连接通道和入口段在靠近上侧壁面位置，趋于剔除通道的速度和范围均增大。补风口宽度为8 mm、6 mm时，趋向于输棉通道的最大速度区域减小。但补风口宽度小于6 mm时，会影响输棉通道的流场。在废棉风机压力300 Pa下，调节补风口的大小并不会产生明显优化效果，且当补风口宽度小于6 mm时，对输棉通道产生影响。因此，使用完全打开的补风口，流场效果更优。

在废棉风机压力为300 Pa，补风口完全打开时，对废棉通道结构进行优化。结合异纤分拣机结构特点和机理，提出减小连接通道出口宽度、入口段长度、连接通道高度和改变剔除通道结构以及采用双废棉风机等5种优化方案，并分别探究各方案的有效性。

3.1 连接通道出口宽度优化

将连接通道出口宽度缩小20 mm，以减小连接通道内速度受废棉风机出口压力的影响程度。图3为优化连接通道出口宽度600 mm截面速度云图及速度角度图。

由图3可知，减小连接通道出口宽度，可使连接通道内速度分布更均匀，且速度区间由1.3 m/s～2.0 m/s减小为0.67 m/s～1.3 m/s。在靠近连接通道上侧壁面涡旋范围缩小，减小对异纤剔除产生影响的可能性。速度角度也随之增大。

图3 优化连接通道出口宽度600 mm截面速度图

3.2 入口段长度优化

废棉通道入口段中心位置速度方向趋向于输棉通道，阻碍异纤剔除，则缩短入口段长度来减小阻力。将入口段长度减小60 mm后发现，优化后的整体速度分布更优。在入口段内偏向输棉通道的速度区域缩小，异纤剔除的阻力减小。在连接通道内速度趋势有了明显改善，在200 mm截面处，速度角度由108°～119°增大至131°～143°，在600 mm截面处，大 部 分 区 域 为155°～167°。因此，优化后连接通道内的气流受输棉通道影响更小，有利于异纤的剔除。

3.3 连接通道高度优化

将连接通道高度减小40 mm，以分析它对速度分布的影响。图4为减小连接通道高度后，600 mm处截面的速度云图及速度角度图。由图4可知，优化连接通道高度与优化入口段长度结果一致。可结合两种优化方案，使异纤从输棉通道至废棉剔除通道之间距离减小，确保携带异纤的高速气流保持更高的速度，提高异纤剔除准确率。

图4 优化连接通道高度600 mm截面速度图

3.4 废棉剔除通道优化

优化废棉剔除通道内壁面，将其直径减小20 mm，风机包覆角度由223°增大至240°，并对不同风机压力下的流场进行对比。图5为优化废棉剔除通道宽度方向600 mm处截面速度云图和速度角度图。由图5可知，优化剔除通道使连接通道内速度分布更均匀，速度降低，速度角度增大。且随废棉风机压力增大，连接通道内的速度增大，入口段速度减小，整体速度角度增大。当风机压力为500 Pa时，入口段速度角度最低为108°，连接通道内靠近输棉通道位置，速度角度接近180°，在靠近入口段位置最小，为143°。风机压力为300 Pa时，连接通道内流场不受补风口气流影响。

图5 优化剔除通道600 mm截面速度图

3.5 双废棉风机

使用单个废棉风机时，整体流场不均匀。因此，采用双废棉风机，即在原废棉风机对面位置增设相同风机压力的废棉风机。并分别研究风机压力300 Pa、250 Pa、200 Pa、150 Pa时的流场。图6为300 Pa和150 Pa时截面速度流场。

图6 双风机不同压力下截面速度流场

由图6（a）可知，连接通道内上侧壁面附近流入剔除通道的速度及范围均增大，并对输棉通道内流场产生影响，其余位置速度大小不变，方向近似垂直指向输棉通道。因此，在300 Pa压力下，双废棉风机流场较劣。由图6（b）可知，当双废棉风机压力为150 Pa时，连接通道内上侧壁面附近流入剔除通道的范围显著减小，且最大速度减小为1.9 m/s，其他区域小于0.94 m/s，但速度方向和压力与300 Pa时相同。入口段内通道中心区域速度更小。宽度方向不同截面速度流场相对于单废棉风机更均匀。因此，双废棉风机压力为150 Pa时，在连接通道内速度流场更优。

（1）通过对不同废棉风机压力和补风口大小研究发现，废棉风机压力为300 Pa，补风口完全打开时，流场性能最佳。

（2）减小连接通道出口宽度、入口段长度和连接通道高度的优化效果较好，且结合后两种方案，可减小剔除喷管的速度衰减，使其保持更高的速度，确保将异纤吹入剔除通道，完成异纤的剔除。

（3）对废棉剔除通道内壁面进行优化，使连接通道内速度分布更均匀，随废棉风机压力的增大，连接通道内的速度略有增大，入口段速度减小，整体速度角度增大，有利于异纤的剔除。

（4）双废棉风机方案的风机压力在150 Pa时效果较优，入口段速度流场变化较小，在连接通道内整体速度显著减小，均匀性更优，可进行推广使用。此方案对双风机实际应用提供了参考依据。