基于CFD的染色机喷嘴流场分析与结构设计

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RNGκ-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。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 选题的目的和意义

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.3 溢流染色机的结构及其与气流染色机的区别

1.4 常见的溢流染色机喷嘴

1.5 本课题研究的主要内容

第二章 喷嘴流场状态及多相流模型分析

2.1 喷嘴流场状态分析

2.2 多相流模型分析

2.2.1 多相流基本模型分析

2.2.2 喷嘴流场的湍流模型分析

2.3 本章小结

第三章 喷嘴流场的气液两相流数学模型

3.1 气液两相流基本方程

3.1.1 两相流体流动的局部瞬时特性

3.1.2 体积平均两相流基本方程

3.2 气液两相流方程组的封闭

3.2.1 气液两相RNG κ-ε方程

3.2.2 气液两相间的作用力

3.3 气液两相流模型方程的离散

3.4 本章小结

第四章 喷嘴流场输运特性分析

4.1 边界条件设置

4.2 涡流形成过程及涡流对喷嘴内流场的影响

4.2.1 喷嘴流场内涡流形成过程

4.2.2 涡流对喷嘴内流场产生的影响

4.3 喷嘴内气体压力分布分析

4.4 喷嘴内二次流产生的原因及其对喷嘴流场的影响

4.4.1 喷嘴内二次流产生的原因

4.4.2 二次流对喷嘴内流场产生的影响

4.5 喷嘴内流场的压力、速度和湍能分布

4.5.1 喷嘴内流场的压力分布

4.5.2 喷嘴内流场的速度分布

4.5.3 喷嘴内流场的湍能分布

4.6 织物在提布辊处受力分析

4.7 “气鼓”和织物扭结产生的原因及其对织物染色的影响

4.7.1 压力分布对气体来源的作用

4.7.2 溶液中生成的气泡对气体来源的作用

4.7.3 汽化核对气泡生成产生的影响

4.7.4 表面活性剂对气泡生成产生的影响

4.7.5 流场分布对“气鼓”生成产生的影响

4.7.6 “气鼓”及织物扭结对织物染色的影响

4.8 本章小结

第五章 喷嘴结构改进及其流场分析

5.1 喷嘴内流场湍流能量传递分析

5.2 喷嘴结构改进

5.3 防螺旋流圆形喷嘴的流场分析

5.3.1 防螺旋流圆形喷嘴流场内涡流分布分析

5.3.2 防螺旋流圆形喷嘴内气体压力分布

5.3.3 防螺旋流圆形喷嘴流场迹线分布

5.3.4 防螺旋流圆形喷嘴流场迹线分布

5.3.5 防螺旋流圆形喷嘴流场分布对织物染色的影响

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文结论

6.2 论文创新点

6.3 论文展望

参考文献

致谢

附录

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间参加的项目

三、在校期间获奖情况