GD121P卷接机组吸丝成形关键技术的CFD仿真分析

肖育林, 沈 磊, 覃仕辉, 吴 磊



GD121P卷接机组吸丝成形关键技术的CFD仿真分析

肖育林*1, 沈 磊2, 覃仕辉1, 吴 磊2

(1. 常德烟草机械有限责任公司 研究所, 湖南 常德, 415000;2. 中烟机械技术中心有限责任公司 卷接研究室, 上海, 201206)

采用计算流体力学数值仿真方法, 对以GD121P卷接机组为原型的吸丝成形关键技术进行了研究. 给出了问题的仿真方法, 建立了仿真模型, 并根据实验对比建立了吸丝带多孔介质模型. 仿真获得了吸丝带附近压强场关键特征, 结果表明: 在烟丝平整器前端, 吸丝带上下压差较大, 有利于形成较紧密的烟丝层, 降低回丝量; 仿真结果符合工程实际.

吸丝带; 吸丝成形; 仿真分析

自1954年法国人拉贝(Labbe)发明吸丝带吸附烟丝技术以来, 采用吸丝成形技术的卷烟机克服了重力落丝式卷烟机烟丝打滑的技术瓶颈, 引发了此后提高生产速度的技术喷发. 应用吸丝成形技术, 烟丝在负压作用下, 自下而上被吸附在运动的吸丝带上形成一定厚度的烟丝层, 并通过烟丝平整器的修理, 获得质量均匀的烟丝束. 周奎田[1]对超高速卷接机组PROTOS2-2和GD121PLUS/16K喂丝机工作原理进行了简要介绍和比较; 黄娟[2]以气力输送理论和最优化方法为基础对梗丝气力输送系统的运行参数进行了优化; 吴磊等[3]采用数值仿真结合试验研究的方法对复杂物料气力输送特性进行了探索. 虽然吸丝成形技术原理已为中国烟草行业掌握, 但对该关键技术还未进行深入地分析和研究.

本文以GD121P卷接机组为原型, 采用计算流体力学数值仿真(CFD)方法, 对吸丝成形关键技术进行了研究. 参照GD121P机组工艺流程和机械结构, 研究了问题的仿真方法, 建立了仿真模型, 并根据实验对比建立吸丝带多孔介质模型. 仿真获得了吸丝带附近压强场关键特征, 并对关键结构进行了局部分析.

1 GD121烟丝输送流程

GD121烟丝输送装置如图1所示. 传送鼓通过本身的齿条拾取烟丝, 并让烟丝落入落丝槽内, 松丝压辊保证粗刺辊从落丝槽中带出的烟丝量在整个轴向长度上是相同的, 提取辊把烟丝均匀地分布在发送带上, 然后烟丝经发送进入烟梗分离区. 随后实现烟丝和烟梗的分离, 较轻的烟丝在负压作用下往上输送至吸丝通道, 而较重的烟梗、烟丝团在惯性作用下进入紊流室内. 在紊流室内流场作用下, 较重的烟梗通过旋转阀门落入烟梗返回通道并输出, 而随烟梗进入的烟丝往上进入吸丝通道内. 吸丝通道的烟丝通过调节板、分流块均匀吸附在前后道吸丝带上, 再往前输送完成后续工序.

1—传送鼓; 2—落丝槽; 3—松丝压辊; 4—粗刺辊; 5—提取辊; 6—发送带; 7—烟梗返回通道; 8—闸辊; 9—二次补风口折页; 10—紊流室; 11—发送辊; 12—调节板; 13—吸丝通道; 14—分流块; 15—风室.

2 仿真建模

2.1 数学模型

2.2 多孔介质模型

在实际工程应用中, 除杂后的物料经提升通道吸附在吸丝带上形成一定厚度的物料层, 为确定该局部的流动阻力, 采用多孔介质模型来模拟该层. 多孔介质模型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中多孔性材料对流体的流动阻力, 考虑到本文分析的物料层为各向同性材料, 源项可表示为:

式中: r为空气密度; m为粘度系数; 1/α为粘性阻力系数; C2为惯性损失系数; u为多孔介质层速度.

为获得多孔介质层粘性阻力和惯性损失系数, 进行了阻力实验, 获得压差Δ和速度的实验数据. 通过仿真和实验对比, 确定该物料多孔介质层的粘性阻力系数为2 × 108, 惯性阻力系数为5 × 103, 具体推导参见FLUENT用户手册. 图2为多孔介质层流速与压差关系的仿真与试验结果[5]的比较.

2.3 仿真模型及边界

根据实物模型, 仿真模型如图3所示. 二次分选进气口1和二次分选进气口2外接环境大气, 风室体负压分两路由左进气口和右进气口配置.

边界条件设置为: 二次分选进气口1和二次分选进气口2为压强入口边界条件, 压强值为0 Pa(相对大气压); 风室体左进气口和右进气口为压强入口边界条件, 根据生产实际设定压强值为-7 000 Pa(相对大气压).

吸丝带下方烟丝层参数: 在吸丝通道上方区域烟丝层为楔形, 吸丝通道右侧极限位置设定2 mm厚度, 吸丝通道左侧极限位置设定10 mm厚度; 吸丝通道外烟丝层厚度维持10 mm厚度不变. 吸丝通道外烟丝多孔介质层与环境大气接触, 边界条件为压强入口边界条件, 压强值为0 Pa(相对大气压). 其余边界设定墙边界条件.

图3 GD121原型仿真模型

3 仿真结果

图4(a)、(b)分别为吸丝带上、下压强和上、下速度分布曲线; 图5为吸丝带局部断面上的速度图.

图4 吸丝带上、下压强、速度分布曲线

表1 各边界流量参数

二次分选10.153 1 二次分选20.131 3 风室体右-0.306 5 风室体左-0.236 9 其他0.259 0

从图4和图5可以看出, 前、后道相关参数一致, 压强曲线重合, 表明前后道具有良好的对称性; 吸丝带上下压差在横坐标约-1 000 mm处最大, 位置处于平整器前端, 较大的压强差有利于形成较紧密的烟丝层, 减少平整器切割平整烟丝量, 降低回丝量. 吸丝带下方气流速度为14～15 m/s. 仿真获得流量参数如表1所示.

4 结论

本文采用计算流体力学的方法对GD121P吸丝成型部分进行了数值仿真分析,获得相应参数与工程吻合, 较好地验证了仿真分析方法和仿真模型的合理性.

建立该系统空气流动问题数值仿真的物理模型、数学模型和数值方法, 为烟机工业中该类问题的研究提供了有力的理论研究手段. 通过实验研究与对比, 建立吸丝带上烟丝层多孔介质模型, 获得了GD121P机型流动关键参数, 尤其是吸丝带上下压差、流道速度特征等, 为后续研发工作提供了可靠的数据参考. 吸丝带上下压差在平整器前端较大, 有利于形成较紧密的烟丝层, 减少平整器切割平整烟丝量, 降低回丝量. 本文所建立的仿真模型和使用的仿真方法可推广应用于处理烟丝流一类复杂物料的吸附输送问题.

[1] 周奎田. 超高速卷接机组PROTOS2-2和GD121PLUS/16K喂丝机工作原理的比较与研究[A]. 中国烟草学会2010年学术年会论文集[C]. 合肥: 中国烟草学会, 2010: 341—346.

[2] 黄娟. 烟草物料风力输送速度的分析和研究[J]. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 1999, 22(2): 130—133.

[3] 吴磊, 胡天群, 杜国锋, 等. 烟丝气力输送特性试验与仿真[J]. 水动力学研究与进展(A辑), 2011, 26(1): 123—128.

[4] 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: 11—12.

[5] 刘纯捷, 胡天群, 吴磊,等. 流化床内复杂物料气力筛分问题的数值仿真分析[J]. 水动力学研究与进展(A辑), 2013, 28(2): 225—230.

CFD simulation analysis of the key technologies of suction and forming on GD121P cigarette rolling machine

XIAO YuLin1, SHEN Lei2, QIN ShiHui1, WU Lei2

(1. Changde Tobacco Machinery Co. Ltd, Changde 415000, China; 2. China Tobacco Machinery Technology Center Co. Ltd, Shanghai 200126, China)

Numerical simulations of computational fluid dynamics was applied to study the key technologies of suction and rod forming modeled on GD121P cigarette making machine, simulation method and simulation model of the problem was done and the porous media model of suction tapes was established based on experimental comparison, then the key pneumatic parameters near the suction tapes was acquired. The results shows that it had high differential pressure upon and down the suction tapes on the front of trimmer, which was conductive to the formation of tighter tobacco layer and reduce the amount of tobacco overfeed. Simulation result is accord with the accrual engineering.

suction tapes; suction and rod forming; simulation analysis

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.019

TS 43

1672-6146(2014)04-0075-03

email: lishirensheng@126.com.

2014-04-14

(责任编校: 江 河)