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RNGk󰀁󰀁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:TS101.2󰀁󰀁󰀁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󰀂36mm,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 1 󰀁2009年第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁山东纺织科技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁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Navier󰀁Stokes动量守恒方程。连续性方程为: ! t+div(!u)=0

Navier󰀁Stokes动量守恒方程为 (!ui) t+div(!uui)=div(∀gradui)- p xi+Si

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,Si为广

义源项。湍流模型选用RNGk󰀁󰀁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。

RNGk󰀁󰀁模型k方程为: (!k) t+ (!kui) xi=

xj#k∀+!C∀k2󰀁 k xj+Gk-!󰀁

RNGk󰀁󰀁模型󰀁方程为: (!󰀁) t+ (!󰀁ui) xi= xj#󰀁∀+!C∀k2󰀁 󰀁 xj+C*1󰀁󰀁kGk-C2󰀁!󰀁2k

式中,C∀=0󰀂0845,#k=#󰀁=1󰀂39,C*1󰀁=C1󰀁-∃(1-∃/∃0)1+%∃3,C1󰀁=1󰀂42,C2󰀁=1󰀂68,∃=(2Eij Eij)12k󰀁,Eij=12 ui xj+ uj xi,∃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(mm)

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)

0.40.81.01.21.51.8

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(sizefunction)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 2 󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁山东纺织科技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年第3期󰀁影响

分别对表1、表2所述10种不同尺寸的非光滑转杯和光滑转杯进行计算,得出各模型转杯壁

面处阻力系数Cf,即Cf=D12!V2A,其中D为转

杯所受总阻力大小,A为转杯在y轴方向上的投

影面积。根据上式进行数值模拟所得光滑转杯的

总阻力系数为1󰀂9357,非光滑模型总阻力系数分别如表3、表4、图5(a)、图5(b)所示。

表3󰀁转杯壁面处阻力系数

项目沟槽深度h(mm)

沟槽间隔s=1.5mm0.20.30.40.50.6

总阻力系数C1.94951.91561.91111.91521.9412减阻率(%)0.713-1.038-1.270-1.0590.284

表4󰀁转杯壁面处阻力系数

项目沟槽间隔s(mm)沟槽深度h=0.4mm0.81.01.21.51.8

总阻力系数1.91301.91521.91091.91111.9181减阻率(%)-1.173-1.059-1.281-1.271-0.909

󰀁󰀁由表3和图5(a)可以看出,当沟槽间隔保持

s=1󰀂5mm,改变沟槽嵌入转杯表面的深度时,除

h=0󰀂2,0󰀂6mm的三角沟槽转杯表面总阻力略有增加外,其余三种表面总阻力均有一定的减小,

并且减阻率随沟槽深度呈现先减小再增大的趋

势,其中h=0󰀂4mm的三角形沟槽转杯表面总阻

力减小最多,达到1󰀂270%。由表4和图5(b)可以看出,当沟槽深度保持

h=0󰀂4mm不变时,间隔s为0󰀂8~1󰀂8mm的所

有非光滑转杯表面总阻力均有不同程度的减小,减阻率随沟槽间隔的变化呈现出先减小后增大的

趋势,其中s=1󰀂2、1󰀂5mm时,转杯总阻力系数

较低,最低减阻率达到1󰀂281%。由此可知,适度

改变高速转杯表面形态可以起到减小转杯自身空气阻力的作用,从而降低高速转杯纺纱机整机的

动力消耗。

1.5.2󰀁剪应力分析对于在纺纱器内高速旋转的转杯来说,它在

纺纱器内所受的空气阻力,主要是来源于空气对

转杯壁面的摩擦阻力。摩擦阻力主要是物体表面剪切力产生的流动阻力,所以转杯壁面的剪切应

力大小,可以反映出转杯壁面所受空气阻力的情况。图6(a)和图6(b)所示分别为表面光滑转杯

与表面排布三角形沟槽非光滑转杯的壁面剪应力

云图。通过对比两图可以明显看出,在非光滑转

杯三角形沟槽处的壁面剪应力小于光滑转杯相同位置处的壁面剪应力,并且沿三角形边线方向剪

应力逐渐减小,靠近三角形沟槽底部剪应力最小,

最低剪应力大小为30󰀂73N/m2。

2󰀁结论

2.1󰀁依据仿生学非光滑表面减阻的思想,将不同

尺寸的三角沟槽布置于高速纺纱转杯外表面,经

过软件数值模拟发现,非光滑表面在高速转杯纺纱过程中对转杯自身的空气阻力能够起到一定的

减阻作用,通过对比剪应力云图看出在沟槽内部剪应力明显降低。 3 󰀁2009年第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁山东纺织科技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁C.I.分散蓝79染料球磨工艺

对聚乳酸纤维染色性能的影响

赵󰀁岩,傅忠君,徐丽娟,于鲁汕

(山东理工大学,山东淄博255091)

摘󰀁要:文章通过试验探讨C.I.分散蓝79染料球磨条件,包括球磨时间、固含量、分散剂、球磨介

质及与染料质量比。然后对不同球磨条件试验所得染料进行染色试验,研究其在聚乳酸纤维上的上色

率,综合球磨和染色试验结果,优化确定了较好的C.I.分散蓝79染料球磨配方及工艺条件。关键词:分散蓝;聚乳酸纤维;球磨;分散剂;上色率

中图分类号:TS193.63+8󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1009󰀁3028(2009)03󰀁0004󰀁04

󰀁󰀁聚乳酸纤维是利用玉米淀粉降解所得的乳酸

进行聚合后所得的聚乳酸树脂加工所得。聚乳酸纤维有着良好的强力、吸水性、透气性,但是由于

其染色上色率不高、耐碱性、耐高温性较差等问

题,使其难以大规模地应用于实际的生产中。

收稿日期:2009󰀁03󰀁16作者简介:赵󰀁岩(1984󰀂),男,内蒙古锡林浩特人,硕士研究生。本文以C.I.分散蓝79为例,通过调整分散

染料的球磨工艺和助剂配方,寻找适用于聚乳酸纤维的分散染料剂型。

1󰀁实验部分

1.1󰀁实验仪器

2.2󰀁通过模拟不同深度、间隔的沟槽表面发现沟

槽尺寸对阻力减小情况有明显影响,当保持沟槽间隔1󰀂5mm不变时,得到沟槽深度为0󰀂4mm,

减阻率最高达1󰀂270%;当保持沟槽深度0󰀂4mm

不变时,得到沟槽间隔为1󰀂2mm,减阻率最高达1󰀂281%。

参考文献:

[1]󰀁WalshMJ.Ribletsasaviscousdragreductiontechnique[J].AIAAJournal,1983,21(4):485󰀂486.[2]󰀁WalshMJ.Turbulentboundarylayerdragreductionusingriblets[R].AIAAPaper1982,82󰀂0169.[3]󰀁WalshMJ,LindemannAM.Optimizationandapplicationofribletsforturbulentdragreduction[C].UnitedStatesAIAA(AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics)Aero󰀁spaceSciencesMeeting,22nd,Reno,NV;1984,84󰀂0347.[4]󰀁赵志,董守平.沟槽面在湍流减阻中的应用[J].石油化工高等学校学报,2004,17(3):76󰀂79.[5]󰀁王福军.计算流体动力学分析󰀂󰀂󰀂CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.[6]󰀁孙志宏等.一种新型纺纱转杯[P].中国发明专利:CN101363149,2008󰀁08󰀁29.[7]󰀁侯晖昌.减阻力学[M].北京:科学出版社,1987.

NumericalSimulationonDragReductionofRotorswithNon󰀁smoothSurface

SHITing󰀁ting,SUNZhi󰀁hong(DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Abstract:Inviewoftheideathatnon󰀁smoothgroovesurfacecanreduceturbulentflowdrag,tri󰀁

anglegroovesarearrangedonthesurfaceofhigh󰀁speedrotors.WithRNGk󰀁󰀁turbulencemodel,the3Dflowfieldoftrianglegrooveshasbeensimulatedtocalculatethetotaldragcoefficientofboth

smoothandnon󰀁smoothrotorsrespectively.Incomparisonwiththewallshearstressofthetworo󰀁tors,theresultshowsthathigh󰀁speedrotorswithminutenon󰀁smoothgroovecanmakereductionon

dragtoacertainextent.Inaddition,bothdepthandintervalofgroovesaffecttotaldragforce.Com󰀁paredtosmoothrotors,themaximumrateofdragreductionisupto1.284%.Keywords:rotor;non󰀁smoothsurface;dragreduction;numericalsimulation 4 󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁山东纺织科技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年第3期󰀁