具有仿生表面结构减阻性能的数值模拟研究

研究探讨

具有仿生表面结构转杯减阻

性能的数值模拟研究

史婷婷,孙志宏

(东华大学,上海201620)

摘 要:基于微小非光滑沟槽表面具有湍流减阻的特性的基本思想,将高速转杯表面布置不同尺寸的三角形沟槽。采用RNG k 模型对其三维流场进行模拟,分别计算光滑转杯与非光滑转杯总阻力系数,对比二者壁面剪应力大小,得出转杯壁面布有微小非光滑沟槽能够起到一定的减阻效果,沟槽深度和间隔均对总阻力产生影响,与光滑转杯相比最大减阻率为1 281%。

关键词:转杯;非光滑沟槽表面;减阻;数值模拟

中图分类号:T S101.2 文献标识码:A 文章编号:1009 3028(2009)03 0001 04

转杯纺纱机是目前各种新型纺纱中最为成熟

的一种纺纱技术。目前,转杯纺纱已从转速3万

rpm发展到了高达16万rpm。在如此高速的纺

纱过程中,转杯的动能消耗最大,占到了整机的

50%以上。这些能量主要用于克服:支撑轴承间

的摩擦、传动龙带的阻力,以及纺杯受到的空气阻力。如何降低转杯纺纱中的能量消耗,达到节能的目的,是现代转杯纺纱机械中的研究重点之一。而目前就轴承摩擦、传动龙带的阻力,研究人员已经采取了有效的降低能耗的措施。本文就如何减小转杯自身的空气阻力提出了在转杯表面增加仿生结构,以降低转杯在高速旋转过程中受到的空气阻力。通过添加非光滑三角沟槽结构改变转杯外壁面结构,以研究不同沟槽尺寸对转杯在纺纱腔内阻力的影响,并采用CFD软件对比分析光滑转杯与非光滑转杯工作状态下的流场,对非光滑转杯的减阻特性进行数值模拟分析。

1 数值模拟

1.1 物理模型的建立

转杯分为自排风式和抽气式两种类型,根据转杯纺纱发展的最新方向,以抽气式转杯为例,如图1所示。

抽气式是利用风机从转杯内集体吸风,使气

收稿日期:2009 04 09

作者简介:史婷婷(1983 ),女,新疆乌鲁木齐人,硕士研究生。流从转杯顶部与固定罩盖的间隙中被抽走,从而在转杯内形成负压,将输送管内的纤维吸入纺杯,并不断沿转杯壁面滑移至转杯凝聚槽内,形成周向排列的须条。在此过程中,转杯高速回转,其转速根据纤维长度的不同在30000~150000rpm之间变化。

图1 抽气式纺纱杯

转杯纺纱中,转杯是置于半密封纺纱腔内,如图2所示,转杯直径为 36m m,腔体直径为 80 mm,抽风口直径为 15mm,纤维输送通道为渐缩口,依靠截面积渐变提高气流速度,使棉纤维不断伸直滑移至转杯内。

图2 转杯纺纱装置实体图

转杯在纺纱器高速回转时,受到气流对其壁面产生的摩擦阻力。利用改变表面形体结构减阻的思想,改变现有转杯的壁面结构,将非光滑表面形态布置于转杯上锥体外壁处。

1.2 控制方程和湍流模型

在进行流场分析时,认为空气是定长、不可压

缩、恒温流体,即流场是稳定的,各流动物理量不随时间变化;空气的密度和粘性等物理性质不随时间变化;不涉及传热问题;流场等温及气流介质各向同性。计算所需控制方程采用三维不可压缩的连续性方程和Nav ier Sto kes动量守恒方程。连续性方程为:

!

t+div(!u)=0

Nav ier Sto kes动量守恒方程为

(!u i)

+div(!uu i)=div(∀grad u i)-p

i

+S i

式中,!为流体密度,t为时间,u为速度矢量,∀为流体动力粘度,p为流体微元上的压力,S i为广义源项。

湍流模型选用RN G k 模型,它通过修正湍动粘度,考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况,更好地处理流线弯曲程度加大的流动。因此,对强旋转流动的计算精度比较高。

RNG k 模型k方程为:

(!k) t+(!ku i) x i=

x j#k∀+!C∀k2

k

x j+G k-!

RNG k 模型 方程为:

(! ) t+(! u i) x i=

x j# ∀+!C∀k2

x j+

C*1

k

G k-C2 !

2

k

式中,C∀=0 0845,#k=# =1 39,C*1 =C1 -∃(1-∃/∃0)

1+%∃3

,C1 =1 42,C2 =1 68,∃=(2E ij

E ij)12k

,E ij=

1

2

u i

x j+

u j

x i,∃0=4 377,%=

0 012。

1.3 计算流域及网格划分

为了模拟转杯纺纱器内部的三维流场,根据图2所示的纺纱器内腔实体模型,将其简化、转化成图3所示的纺纱器内腔的计算模型。

改变转杯表面的微观结构,在其锥形表面均匀排布一定数量的三角形沟槽

,建立非光滑转杯的计算模型如图4(a),沟槽形状如图4(b)所示,其中沟槽三角形顶角为#=60!,三角形沟槽深度h,沟槽间隔为s,通过改变h、s分析沟槽尺寸对转杯外表面空气阻力的影响。计算模型三角形沟槽尺寸如表1、表2所示。

表1 三角形沟槽尺寸

沟槽间隔(mm)沟槽深度h(m m)

1.50.20.30.40.50.6

表2 三角形沟槽尺寸

沟槽深度(mm)沟槽间隔s(mm)

0.40.8 1.0 1.2 1.5 1.8

上述模型计算区域采用四面体和三棱柱非结构体网格进行离散化处理。对非光滑转杯而言,其表面具有微小沟槽结构。在生成网格时为了保证计算精度较高,对于流场变化大的非光滑表面区域需要采用局部网格细化处理,利用尺寸函数功能(size function)加密非光滑转杯处网格,使得整个计算域网格的过度和分布更加合理,提高网格质量。除了非光滑转杯表面区域外,光滑转杯和非光滑转杯的网格参数相同。

1.4 边界条件的设置

在计算模型中,根据转杯纺纱工艺,取纤维输送口为入口边界,设置入口边界条件为速度进口,给定气流流速初值为48 5m/s;取吸风口为出口边界,设置出口边界条件为压力出口,给定压力大小为5000Pa;由于转杯在纺纱过程中处于高速旋转状态,设置转杯外壁为固体壁面边界,并绕y 轴高速旋转,转速为100000rpm。其余壁面施加无滑移壁面边界条件。计算温度为室温20∀,流体介质为空气,动力粘度∀=17 9#10-6Pa s,运动粘度v=14 8#10-6m2/s。

1.5 模拟结果及分析

1.5.1 沟槽深度和沟槽宽度分别对阻力系数的