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《济南大学》 2011年
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基于CFD的染色机喷嘴流场分析与结构设计

张朝阳  
【摘要】:溢流染色机对圆筒型织物染色时,喷嘴处常出现织物扭结和“气鼓”现象,严重影响染机的正常运行及织物的染色质量。针对这一问题,课题以溢流染色机喷嘴流场为研究对象,采用Solidworks软件建立溢流染色机喷嘴的几何模型,根据流场状态及实际工况条件,建立喷嘴流场的数学模型,运用计算流体动力学软件进行仿真分析,根据仿真结果,分析喷嘴流场的输运特性,进而改进喷嘴结构。 对喷嘴流场数学建模时,根据气液两相流动的局部瞬时特性,忽略织物对射流工作介质的影响,建立气液两相流的连续方程和动量方程,运用体积平均法对方程进行体积平均,推导出气液两相的宏观守恒方程。根据实际工况参数,分析溢流染色机喷嘴的气液两相流流场状态,并以此为依据,选取RNG k-ε数值模型,作为喷嘴流场数学建模的封闭模型,封闭气液两相流连续方程和动量方程守恒的方程组。为了便于计算机求解,运用离散化方法,将偏微分方程转化为常微分方程。为了解决压力与速度的耦合问题,课题采用SIMPLEST算法,以离散化的连续方程为基础建立压力修正方程,结合喷嘴流场的边界条件,求解出修正压力,用得到修正压力来修正流场的速度分布。 根据CFD数值模拟计算结果分析喷嘴盖内气体动、静态压力的变化及喷嘴内染液的速度场和压力场的分布;从涡流的抽吸作用、二次流对螺旋流的影响、湍流能量传递等几个方面分析喷嘴流场输运对织物染色的影响;根据仿真分析结果,结合物理学相关知识及吉布斯吸附公式等原理,探讨“气鼓”产生的原因及形成过程。 研究结果表明:喷孔处染液的涡旋强度是引起喷嘴内气体压强变化的主要因素,涡旋越强,气体压力变化越大;喷嘴弯管处产生的二次流是形成螺旋流的主要因素,螺旋流将织物扭结在一起,严重影响织物染色质量;通过调节大尺度涡与小尺度涡之间的能量传递,减少喷嘴弯管内二次流产生的量,可调节喷嘴弯管内小尺度涡的能量,从而消弱弯管内的螺旋流对织物的扭结现象的影响。而圆筒型织物染色时出现的“气鼓”现象是由喷嘴弯管内产生的螺旋流致使织物扭结、圆筒型织物内外部压力的不同等因素引起的。溶液温度升高,气体在水中的溶解度降低产生气泡、涡流的抽吸作用使喷嘴内气体压力减小,从喷嘴外部进入喷嘴的气体和高温染色时产生的水蒸气是使“气鼓”膨大的气体的主要来源。 根据分析结果与生产实践,对圆形喷嘴进行结构改进,在喷嘴芯座上添加4块调流板,可消除织物扭结现象,把“气鼓”大小控制在对织物染色有利的范围之内。
【学位授予单位】:济南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TS193.3

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