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设计仿真 | Cradle CFD 优化输毛管道设计提高行业生产效率

国际金属加工网 2024年07月05日

项目背景

在化纤行业中,粘胶或 Lyocell 短纤维的开松处理是纤维成品前的一道重要工序,而开松处理设备通常选用输毛管。输毛管将经多台切断机切断的束状粘胶或 Lyocell 短纤维开松冲散,并输送到给纤槽和精炼机,利于给纤槽均匀铺毛、加强精炼机淋洗效果,提高纤维成品品质。然而,传统的输毛管主要起输送作用,对开松纤维要求不高。探索束状纤维在输毛管中的开松机理及管道内流场状态,对纤维运动状态的影响、促进输毛管管道结构合理化设计,提高纤维开松效果至关重要。本次研究中原工学院使用Cradle CFD优化了输毛管道设计以提高行业生产效率。

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设计挑战

对输毛管管道结构进行合理化设计,提高纤维开松效果研究领域难点主要是如何建立纤维的丝束模型。市场上流场分析软件有 MSC Cradle CFD,ANSYS Fluent,cfx,comsol等,而进行输纤通道中纤维与流场的耦合关键在于建立接近实际生产中的纤维模型,结合目前国内外研究现状,输纤通道中输送的纤维数量少,且缺少丝束纤维模型在管道中开松的研究。MSC Cradle CFD流体分析软件有自己本身独特的离散元模型,同时基于离散元拓展的绳索模型,通过参数的设置使纤维模型接近实际生产。

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设计案例
探究纤维开松机理

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纤维丝束模型建模复杂,海克斯康旗下计算流体动力学仿真软件MSC Cradle CFD颗粒生成单元建模效率高,操作简便。Cradle CFD流体动力学分析软件拥有先进的新型协同仿真和后处理功能,分析多物理场问题和混合的流体-颗粒相互作用,输毛管优化设计研究以Cradle CFD流体软件对粘胶和Lyocell纤维输毛管的流体分析仿真探究纤维开松机理。

图:不同时刻纤维运动轨迹及局部放大示意图

优化管道结构消除流体漩涡

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图:管道流场前后对比

结合Cradle CFD高效的网格划分方式,在原管道的不断加以修改设计,进行仿真计算节省时间,极大减少时间成本,对比市场几款流体计算软件,仿真结果计算精确,Cradle CFD的续算能力让使用者能够及时检测计算过程中发现的问题并能及时修正,避免使用者重复工作,减少工作强度。其对纤维在输毛管中的流固耦合分析更符合生产中的现象模拟。

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图:结构改变前后的纤维运动分析

cradle CFD拥有较为强大的后处理分析能力,使纤维在输毛管道中的运动呈现具象化,研究者更好观察纤维在管道中的耦合运动,本研究通过改变管道结构,消除管道内的流场漩涡,提高纤维在管道内的输送效率,减少纤维缠绕现象。

总 结

纤维输毛管的设计对粘胶纤维或Lyocell短纤维丝束的开松效果至关重要。为了探究纤维丝束在输毛管中的开松机理以及管道内流场状态对纤维运动状态的影响,采用三维建模软件建立输毛管流场模型。在商用软件Cradle CFD中建立纤维丝束模型结合流场进行耦合计算,研究分析了2000根长度为38mm纤维丝束在输毛管中的运动过程。结果表明,纤维丝束在输毛管中受到流场作用的差异形成了纤维丝束运动的速度差是纤维丝束开松的主要原因;输毛管的竖直圆形管道处存在较大的压力梯度,使纤维丝束整体受到压力差异,也为纤维开松创造条件,输毛管的锥型管位置处的速度场较复杂,有利于纤维丝束开松;管径的变化导致产生漩涡,阻碍了纤维的输送,研究结果可以为化纤与纺织行业输毛管设计提供参考。

中原工学院后续将进一步使用Cradle CFD,对更大规模的化纤进行研究,以便改进优化纺织行业输毛管设计。截至目前,我们通过Cradle CFD 完成了纤维开松的机理分析,并在《现代纺织技术》期刊发表论文一篇—《输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响》,后继我们将进行管道结构对流场的影响探究,分析纤维在不同结构管道中开松效果,探讨最佳的适合纤维开松的管路结构。

参考文献:

[1]王进,程贺棚,李帅,等.输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响[J].现代纺织技术,2024,32(03):29-37.

关于中原工学院

中原工学院(Zhongyuan University of Technology)位于河南省郑州市,中原工学院是一所以工为主,以电子信息和纺织服装为特色优势,工、管、艺、理、文、经、法、哲等多学科协调发展的河南省特色骨干学科建设高校。

其中机械设计制造及其自动化专业是国家级特色专业建设点、国家级专业综合改革试点项目,工业设计是省级特色专业,机械设计制造及其自动化专业和工业设计专业目前是国一流专业建设点,机械电子工程专业是省级专业建设点。机械工程是省重点一级学科,设计学(工业设计方法及理论)是省重点学科,仪器科学与技术是校重点一级学科,为河南省优势特色学科群“纺织服装新材料与高端装备”支撑学科,其中,机械制造及其自动化学科为河南省特聘教授设岗学科。

  

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(海克斯康工业软件)

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