一种梗丝分选通道内流场特性检测方法与流程

1.本发明属于烟草机械技术领域，尤其涉及一种梗丝分选通道内流场特性检测方法。


背景技术：

2.气力输送与分选的研究涉及多个交叉学科，对工业生产具有重要的现实意义；气力输送与分选在卷烟工业中应用广泛，不仅用于输送、分选烟叶、烟丝、烟梗等原料，还能实现烟丝松散、去杂、干燥、除尘等工艺。
3.protos m8是德国hauni公司新推出的智能化程度较高的超高速卷接机组，最高生产速度为20000支/分钟；该机组由ve供料成条机、se卷制成形机及max接装机三部分构成；供料成条机对烟叶进行松散、除梗、除杂、计量后形成烟丝束；z字型梗丝分选系统是一种以现有流化系统为基础，实现烟丝，烟梗分选的新型系统，结合了悬浮分选与惯性离心分选两种分选理论；由于分选器为多级z型分选通道组成，通道内边角较多，z字型通道内流体并未均匀经过通道任意角落，通道内流向集中或分散未知。
4.迄今为止，z字型梗丝分选系统在卷烟行业应用不多，虽然国内外已有部分产品，但输送系统固定，应用到不同品种梗丝中的效果较差；目前国内对z字形通道内流场机理尚未有充足的认识，数值求解不能提供真实边界条件，阻碍了后续工作中梗丝分选数值模拟的进程；因此，结合理论计算与实验，能为多级z型分选通道理论研究提供一定的借鉴作用；进一步帮助烟草机械研究人员认识到梗丝分选本质，有利于z字型梗丝分选系统的设计、放大和优化。
5.本方案基于能量守恒原理，提出了一种梗丝分选通道内流场特性计算方法，可用于烟草机械梗丝分选通道内流场流速与压力的计算。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明公开了一种梗丝分选通道内流场特性检测方法，检测过程为：在梗丝分选通道中选取若干流体通道分析截面，基于连续性定理，计算出不同入口流速条件下各个截面点气流的局部流速，进而推导出动压改变量；通过计算各个截面点处梗丝分选通道的阻力损失量与重力势能，得出总压改变量；结合动压改变量与总压改变量计算得出各个截面点的静压改变量；最后分析得出梗丝分选通道内流场特性，结合此检测方法可优化梗丝分选效率，利于国内烟机组梗丝分选通道的结构改进。
7.为了实现本发明的目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种梗丝分选通道内流场特性检测方法，包括如下步骤：
9.步骤一、得到梗丝分选通道内任意位置截面的面积；然后得到梗丝分选通道某一截面a的面积v1、风速a1和静压p1；
10.步骤二、得到梗丝分选通道某一截面b的面积v2，根据连续性定理得到截面b处的风速a2：
11.v1×
a1＝v2×
a2ꢀꢀ
(1)
12.步骤三、得到空气在截面a和截面b间流动的阻力损失
△
h：
13.△
h＝
△
p
沿程

△
p
局部总
；其中
△
p
沿程
即空气在截面a和截面b间流动的行程阻力损失；
△
p
局部总
即空气在截面a和截面b间流动时在渐扩管的阻力损失和各拐角处的阻力损失之和；
14.其中，δp
沿程
＝δp
m
l
ꢀꢀ
(2)
[0015][0016]
δp
m
为梗丝分选通道单位长度的沿程阻力，单位为pa/m；l表示空气在截面a和截面b流经的行程，单位为m；v表示单位长度内空气的平均流速，单位为m/s；de为z字型通道当量直径，单位为mm；λ为摩擦阻力系数；
[0017]
其中，渐扩管和每个拐角处的阻力损失
△
p
局部
计算公式如下：
[0018][0019]
其中，ξ为局部损失系数，ρ为空气密度，单位为kg/m3、v为局部风速，单位为m/s；
[0020]
步骤四、根据能量守恒定律，计算得到截面b的静压p2：
[0021][0022]
其中，当空气自截面a向截面b流动时，
△
h为正值，否则为负值；g表示重力加速度，z1表示截面a的高度，z2表示截面b的高度。
[0023]
进一步的、还包括步骤五、根据步骤二到步骤四得到梗丝分选通道所有截面处的静压，然后根据每个截面处的空气流速得到每个截面的动压v为空气流速，在将静压与动压相加得到每个截面处的总压。
[0024]
进一步的、所述步骤三中，当空气经过渐扩管时，λ的计算公式为：
[0025][0026]
其中，re为雷诺系数、k为梗丝分选通道内壁粗糙度；所述雷诺系数计算式为：式中v为渐扩管管道内空气流速、μ为空气运动粘度；
[0027]
当空气经过渐扩管之外的部分时，λ的计算公式为：
[0028][0029]
进一步的、所述k＝0.15x10
‑3m。
[0030]
进一步的、所述步骤三中，渐扩管和每个拐角处的局部损失系数通过《通风管道沿程阻力计算选用表》查表得到。
[0031]
进一步的、扩散段局部损失系数通过计算得到，计算公式为：
式中：θ为扩散角；k为渐扩管内壁粗糙度；a1为渐扩管入口处截面积、a2为渐扩管出口处的截面积；a1小于a2。
[0032]
进一步的、所述步骤一中，所述梗丝分选通道内任意位置截面的面积通过建模得到。
[0033]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0034]
目前国内对z字形通道内流场机理尚未有充足的认识，梗丝分选的空气流速均通过经验调节，受人为因素影响大；针对z字型分选通道的复杂性，提出梗丝分选通道内流场特性计算方法，为掌握不规则流化床内部截面流动特征的计算与分析奠定了基础；数值模拟结果表明，本发明专利的计算方法与cfd仿真数据吻合；因此，将z字型梗丝分选通道内流场特性计算方法运用于烟草机械负压通道的可行度高，并可扩展到其他负压装备。
附图说明
[0035]
图1为z字型梗丝分选系统的流场特性分析截面；
[0036]
图2为z字型梗丝分选系统中的渐扩管示意图；
[0037]
图3为z字型梗丝分选系统中的弯管示意图；
[0038]
图4为z字型梗丝分选系统中的拐角示意图；
[0039]
图5为z字型梗丝分选系统上安装z字型通道内流场测试装置布置图；
[0040]
图6为l型皮托管截面示意图；
[0041]
图7为z字型梗丝分选通道内流场测试方法流程图；
[0042]
图8为z字型梗丝分选通道静压分布图；
[0043]
图9为z字型梗丝分选通道总压分布图；
[0044]
图10为z字型梗丝分选通道压力数值模拟结果图一；
[0045]
图11为z字型梗丝分选通道压力数值模拟结果图二；
[0046]
图12为z字型梗丝分选通道数值模拟结果与本发明专利计算方法预测值对比图a；
[0047]
图13为z字型梗丝分选通道数值模拟结果与本发明专利计算方法预测值对比图b。
具体实施方式
[0048]
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实例，对依据本发明提出的基一种梗丝分选通道内流场特性检测方法，详细说明如下：
[0049]
实施例1
[0050]
一种梗丝分选通道内流场特性检测方法，包括z字型梗丝分选系统，z字型梗丝分选系统检测分析步骤为：
[0051]
步骤一.于z字型梗丝分选系统上确立(a
‑
k)11个分析截面；
[0052]
步骤二.预先完成流体通道内流场特性计算的方法如下所示：于z字型梗丝分选系统内计算出流体流经通道时的机械能，根据热力第一定律得出内能不变，结合上述条件通过能量方程式得到流体稳定流动过程，能量方程式包括能量守恒原理和总压计算式；
[0053]
步骤三.于z字型通道中上选取两个截面a,e，测量出a截面的长、宽、面积与流速，测量出e截面的长、宽、面积与流速，通过于a截面测量出的流速与截面面积结合连续性定理得出e截面的流速；同理，通过a截面给定的入口流速与各截面面积结合连续性定理得出a
‑
h内各个截面的流速。考虑到e
‑
h截面的空气并未流经整个通道，假定其流速为计算值的2倍；
[0054]
步骤四.流体流通所述z字型梗丝分选系统时产生沿程阻力和局部阻力，通过沿程阻力计算公式，得出流体通过通道时的沿程能量损失，通过局部阻力计算公式，得出流体通过通道时的局部阻力损失；所述局部阻力包括流体流经内渐扩管、弯头、拐角时的局部阻力，所述局部阻力计算公式中分别包含有渐扩管局部损失系数、弯头局部损失系数、拐角局部损失系数(参考《通风管道沿程阻力计算选用表》，见表1
‑
3)，所述渐扩管包括扩散角，所述扩散角选取范围：6
°‑
12
°
，所述渐扩管局部损失系数与渐扩管两端面积比(图2)对应，所述渐扩管局部损失系数范围：0.02
‑
0.70；所述弯头两端于弯头圆周中心点形成夹角，所述弯头夹角角度选取范围：15
°‑
180
°
，所述弯头角度对应弯头局部损失系数，所述应弯头局部损失系数范围：0.04
‑
2；所述拐角与水平面成形夹角，所述拐角夹角角度选取范围：5
°‑
90
°
，所述拐角局部损失系数与拐角角度对应，所述拐角局部损失系数范围：0.016
‑
0.265；
[0055]
步骤五.所述z字型梗丝分选系统上设立若干内场测点，于所述内场测点通道壁面上安装点阵测试系统。
[0056]
z字型梗丝分选系统包括分选室、闸辊机构、z字型通道、螺旋出梗机构，分选室、闸辊机构、z字型通道、螺旋出梗机构之间相互连通于内部形成供流体流通的通道。
[0057]
步骤一的进一步说明：
[0058]
11个分析截面于z字型梗丝分选系统内各组件关键位置选取。
[0059]
步骤二的进一步说明：
[0060]
流体机械为风机；于所述(a
‑
k)11个分析截面内选取两个分析截面a、b,所述机械能计算公式为：式中e为机械能、p为静压能、为动压能、v位空气速度，zρg为位势能。所述热力第一定律为：(u1 e1)
‑
(u2 e2)＝q h，式中u1、u2分别为流体流经所述分析截面a、b时的内能、e1，e2分别为流体流经分析截面a、b时的机械能、q为流体与外界交换的热量、h为流体对外界所做的功；绝热时q＝0，当流体为绝热、定向、不可压缩时u1＝u2，所述能量方程式包括能量守恒定理和总压计算式，当u1＝u2时通过能量守恒定理得出能量方程式为其中，当空气自截面a向截面b流动时，
△
h为正值，否则为负值；g表示重力加速度，z1表示截面a的高度，z2表示截面b的高度。
[0061]
所述总压计算式为：δp0＝(z1‑
z2)ρg δh，式中δp0为总压，δh为阻力损失。
[0062]
步骤三作进一步说明：
[0063]
a截面面积为s
a
＝l1
×
d1，l1为a截面的长，d1为a截面的宽，s
a
为a截面的面积，所述e截面面积为s
e
＝l5
×
d5，l5为e截面的长，d5为e截面的宽，s
e
为e截面的面积；经测量，a截面处长l1为501mm，宽d1为117mm，面积s
a
为l1
×
d1＝586.17cm2，z字型通道e截面处长l2为1060mm，宽d2为115mm，面积s
e
为l2
×
d2＝1219cm2。所述连续性定理式为：v1
×
s
a
＝v5
×
s
e
(v1，v5代表不同截面的空气流速)，所述a截面流速为6m/s时，则e截面流速为2.89m/s。考虑
到空气沿着z字型通道中心由右下向上输送，并不会流经整个截面。假定含拐角的z字型通道位置(如e
‑
h截面)流体流速为计算值的2倍，得出所述e截面流体流速为5.77m/s。
[0064]
步骤四的进一步说明：
[0065]
沿程阻力为：空气在截面a和截面b间流动的沿程阻力损失，沿程阻力计算公式为:δp
沿程
＝δp
m
l、
[0066]
沿程阻力计算公式中：δp
m
为z字型通道单位长度沿程阻力(pa/m)、l表示空气在截面a和截面b流经的行程(m)、λ为摩擦阻力系数、ρ为空气密度(kg/m3)、d
e
为z字型通道当量直径(mm)、de为z字型通道当量直径、v为z字型通道内风速(m/s)、k为z字型通道内壁绝对粗糙度(m)、re为雷诺系数；薄钢板法兰矩形风管的沿程阻力计算公式：
[0067]
薄钢板法兰矩形风管计算公式中k取0.15x10
‑3m；测得所述z字型通道截面的几何尺寸为1250x200mm，d
e
＝345mm，所述k＝0.196,由中国建筑标准设计研究院提出的《通风管道沿程阻力计算选用表》及沿程阻力计算公式，得出薄钢板法兰矩形风管来流体流速为6.5～13.0m/s时单位摩擦阻力为1.452～5.484pa/m，所述z字型梗丝分选系统内部通道小于3m、当通道内流速为13m/s时通过薄钢板法兰矩形风管计算公式得出摩擦阻力小于16pa；其摩擦阻力对整个流场影响也较小，可以忽略不计；所述渐扩管、弯头、拐角位于z字型通道内，局部阻力计算式为：局部阻力计算式中：ξ为各个局部阻力系数、ρ为空气密度(kg/m3)、v为局部风速(m/s)；z字型梗丝分选系统内局部阻力损失大于沿程阻力损失，渐扩管包括扩散段、入口、出口、扩散角，扩散段局部损失系数计算公式为：式中：θ为扩散角；k为渐扩管内壁粗糙度；a1为渐扩管入口处截面积、a2为渐扩管出口处的截面积；a1小于a2、λ为渐扩管的摩擦阻力系数，渐扩管的摩擦阻力系数λ的计算式为：式中：d为渐扩管当量直径、re为雷诺系数、雷诺系数计算式为：式中v为渐扩管管道内空气流速、μ为气流运动粘度。
[0068]
步骤五的进一步说明：
[0069]
内流场测试系统包括测试仪，测试仪上安装有两根软管，软管连接有差压传感器，压差传感器电连接有压差变送器，压差变送器电连接有压差转换器，压差转换器电连接有数据采集计算机；内场测点设在z字型通道上；测试仪为l型皮托管；差压传感器为集成式jx1000
‑
1f型数字微压计。
[0070]
结合图2图3图4，渐扩管的扩散角θ越大，漩涡产生的能量损失越大；θ越小，达到既定面积比所需的管道越长，则产生的摩擦损失越大；因此，负压管道设计时需选择合理的扩散角；θ为60
°
时能量损失最大，为使能量损失较小，工程中一般选取6
°
～12
°
，z字型通道θ为7.5
°
，符合设计标准，由表1渐扩管局部损失系数知z字型渐扩管局部损失系数
[0071]
表1渐扩管局部损失系数：
[0072][0073]
表2弯头局部损失系数：
[0074][0075]
其中z字型通道的bc段：α
bc
＝60
°
,r＝259mm,d＝100mmε＝0.12
[0076]
其中z字型通道的cd段：α
cd
＝180
°
,r＝178mm,d＝98mmε＝0.21
[0077]
表3拐角局部损失系数：
[0078][0079]
z字型截面拐角均为60
°
弯角，则ε＝0.47。
[0080]
流体运动过程符合能量守恒原理，总压改变量可由总压改变量计算式推导，由连续性定理式计算流速，得到动压改变量，进而计算出a
‑
k中11个截面的静压改变；通过不同截面位置的沿程阻力损失与局部阻力损失，结合总压改变量计算式、沿程阻力计算公式和局部阻力计算式得出每个截面静压与总压分布。
[0081]
实施例2
[0082]
在实施例1的基础上为了实现z字型梗丝分选通道内流场特性测试方法，做如下改进：
[0083]
如图5所示，z字型梗丝分选系统包括变频器1、筛分风机2整流孔3、渐扩管4、弯头5、烟梗螺旋输送器6、z字型通道7、分选室8、皮托管9、软管10、压差传感器11、压差变送器
12、压差转换器13、数据采集计算机14；
[0084]
z字型通道上安装的内流场测试系统包括有l型皮托管，l型皮托管上安装有两根软管，软管连接有差压传感器，压差传感器电连接有压差变送器，压差变送器电连接有压差转换器，压差转换器电连接有数据采集计算机；差压传感器为集成式jx1000
‑
1f型数字微压计。
[0085]
由于流场通道为内流场，本次实验采用l型皮托管为探头将内部压力通过软管导出，采用数字微压计进行测量，其中瞬干胶与密封胶用于皮托管的固定与流场通道间隙处密封。
[0086]
如图6所示，l型皮托管是由一个弯成90
°
的双层同心圆管测量头组成的管状装置，它由两根金属管定向焊接而成。在离头部约为三倍管径处，环绕管壁开设若干个小孔，这些孔为静压孔，顶端则有一个与来流方向一致的全压孔，测量时要保证总压孔对准气流的方向。
[0087]
皮托管测速仪实验原理：在工程实践中，当空气流速较低、温度变化较小时可按不可压缩流体考虑，流速测量根据不可压缩流体的伯努利方程式：式中：v为流体速度m/s pj为流体静压pa、p为流体总压pa、ρ为流体密度kg/m3
[0088]
测量某一截面平均流场时不要让l型皮托管靠近管壁等流速较低或拐角等波动较大区域，在选定测量点将全压孔对准气流方向，以流场外部十字架指向杆校核安放角度，静压在气流的垂直方向上；测量点插入孔应避免漏风；用l型皮托管只能测得管道断面上某一点的流速，但计算截面流量时要用平均流速，由于断面流量分布不均匀，因此每个断面上应多测几点，以求取平均值。
[0089]
在对z字型通道不同测量点进行测量之前，通风机应该运行到稳态阶段，对各测量点，空气流道中的压力读数观测时长应不少于1min，且波动范围不超过1％，如果读数始终示出随机变化，要检查仪器连接情况，适当调整l型皮托管位置，记录足够的观测点，通过取平均值来得到一个符合的测量精度的值。
[0090]
l型皮托管与数字微压计仪器性能参数如表4与表5所示：
[0091]
表4.l型皮托管
[0092][0093]
表5.数字微压计
[0094][0095]
压差传感器采用集成式jx1000
‑
1f型数字微压计，工作压力范围：0～
±
6000pa，风速范围小于57m/s，分辨率为1pa，满足测量需求；使用之前避免传感器内残留气压干扰，需要对数字微压计进行预热与清零；利用l型皮托管测量风压，并基于式计算风速；由于本此实验所用l型皮托管系数为0.998，风速计算值需乘l型皮托管系数。
[0096]
结合图7所示测量流程，具体实施方法如下：
[0097]
1.组装流场通道，安装l型皮托管，调整l型皮托管头部平行于风洞管道轴线，即皮托管相对于管道轴线的偏角为0
°
；在通道测量位置用螺纹固定夹持部件，并进行粘结与密封，每个l型皮托管连接两根2
‑
3m软管。
[0098]
2.连接压差计前检查测压管路有无漏气现象，保证流场密封性良好。将压力计通过连通管与实验风管的测压力孔相连接，软管接于l型皮托管的宝塔型尾部，通过调整软管长度，使各软管集于一处，便于后期统一使用压力传感器记录不同位置，不同截面风速，风压，风量。
[0099]
3.对数字微压计进行预热与清零，并为测点设置至少6个工作频率。依次对断面布置的18个检测点进行上、中、下行程测量，任一工作频率下每个测量点记录三组实验数据，取其平均值为测量数据。
[0100]
静压：在z字型通道内的空气，不论它是否流动，对其周围壁面都产生垂直于壁面的压力，称为静压。
[0101]
静压测量方法：l型皮托管静压口通过软管与压力计负极相连，压力计的另一端敞开与实验室内的大气压力相通,测量数据即为静压。
[0102]
总压:总压p0等于静压pj与动压pd之和。
[0103]
总压测量方法：l型皮托管静压口通过软管与压力计正极相连，压力计的另一端敞开与实验室内的大气压力相通，测量数据即为总压。
[0104]
动压:流动着的空气沿它的流动方向将产生一种压力，称为空气的动压。动压是单位体积气体流动所具有的动能。它恒为正且具有方向性，它的方向就是气体流动的方向。
[0105]
动压测量方法：皮托管需要接一个静压管，一个总压管，将2根软管接于压差传感器，由p
d
＝p0‑
p
j
计算出动压。
[0106]
风速测量方法：
[0107]
风速与动压关系式为：可由动压计算风速。
[0108]
本发明专利基于l型皮托管与微压计，完成了不同风机频率下z字型通道的断面速度与压力测量。采用点阵测试装置后，z字型梗丝分选通道上安装皮托管；一套皮托管夹持部件由三个皮托管组成，向x方向移动多个位置，可实现测量深度的调节，向z方向移动三个位置，可实现测量高度的调节。移动9次即可以测得27个流场数据点。y方向按需求可布置3个夹持部件，实现z字型梗丝分选通道内流场特性的全局测量。有利于验证计算结果的准确性，解决了传统测量点固定的缺陷
[0109]
实施例3
[0110]
在实施例1、例2的基础上为了进一步验证z字型梗丝分选通道内流场特性测试方法，方法如下：
[0111]
1.由z字型梗丝分选通道内流场特性计算方法，计算不同截面位置的沿程阻力损失、局部阻力损失与重力势能变化量，并结合能量方程，可求得每个截面静压与总压分布，如图8图9所示。
[0112]
2.由图8静压分布可知，b、c、d截面静压相似，相对于入口，静压有所上升，且流速越大，静压越大，这是因为流速增加时，b、c、d截面动压降低更多，总压改变不大的情况下，动压转化为静压，从d截面沿流向e、f、g、h静压不断恒速降低，这是因为e、f、g、h为四个相同截面拐角，故流速相同，局部压力损失相同，且拐角z方向距离相同，故重力势能改变相同；因此e、f、g、h静压恒速降低，入口流速越大，静压降低越大。
[0113]
3.由图9总压分布可知，a截面至d截面总压逐渐升高，这是因为重力势能转化为静压的能量高于阻力损失；d截面至h截面总压逐渐降低。
[0114]
4.为验证本发明专利(z字型梗丝分选通道内流场特性计算方法)的合理性，基于cfd数值模拟，完成了z字型梗丝分选通道内的压力分析，部分截面静压与总压云图如图10、图11所示
[0115]
5.由本发明专利计算方法得到z字型梗丝分选通道的静压和总压，与cfd数值模拟(三种网格)对比，如图12、图13所示；可以看出，该专利提出的方法能够有效预测通道内部压力分布；图12、图13中入口截面流速为v＝6m/s。
[0116]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。