[摘要] 1 绪论1 1课题研究背景和意义纺织工业一直是我国传统产业中的
1 绪论
1.1课题研究背景和意义
纺织工业一直是我国传统产业中的基石。在当前科技化的大潮下，将现代化科技和传统纺织工业相结合打造国际化的新优势产业，使纺织工业成为现代科技和流行元素完美结合的产业。纺织品自古以来都是我国重要的对外贸易商品，是我国文化的象征。因此纺织工业的存在增强了人民的文化自信，为人民提供更多广泛的选择，有助于带动纺织相关产业发展，有助于促进和谐社会的建设，同时纺织品产业的升级也有助于拉动内需增长。在纺织品行业中，我国的纤维生产量年均增长 5.1%，是世界纺织品生产国规模最大的，2015 年全年纤维产量达 5300 万吨，纺织纤维加工量占全球纤维加工总量50%以上，纺织品服装出口一般贸易比重由2010年的74%提高到 2015 年的 76.9%。21 世纪以来，我国纺织工业一如既往的稳定发展，我们不仅要抓住了当前的市场需求，而且在国内产业体系完整性上和人力资源充沛上充分发挥了这两方面的优势。对外不断引进了大量的高端技术和先进的管理理念，对内积极提高了企业自身的创新能力，因此在“十二五”时期，我国纺织工业的效益长期处于稳定增长的趋势，产业内结构不断深入调整，高新科技和纺织工业结合更加紧密，创新能力明显提升，纺织品牌建设不断推进，从而进一步强化我国纺织产业在世界范围内的地位。2012 年初，我国工业和信息化部颁布了《纺织工业“十二五”发展规划》，自该发展规划以来，我国纺织行业内部技术不断提升、自主创新能力和产品品质不断提高、品牌战略发展和资源循环利用不断加强、节能降耗不断突破。伴随着我国纺织品对欧美国家的开放，使我国纺织行业的前景变得一片光明，此次变革不仅扩大我国的消费产业链，而且解决了我国广大劳动者的就业问题[1]。2016 年 9 月 28 日，工业和信息化部规划司正式颁布了《纺织工业发展规划（2016-2020 年）》，对纺织工业的成长有很强的指导意义，比如世界范围内纺织工业和相关贸易活动呈现出全新的局面、全球范围内纺织品的消费蕴含这广阔的空间和前景、纺织工业和现代网络融合发展催生出新的贸易形式、区域产业结构调整形成新局面、生态文明建设提出新要求，对我国快速发展纺织产业有了更全面的要求。在“十三五”规划期间，大型纺织企业的工业增加值年均增长应保持在 6%左右，同时我国纺织制品的出口份额占全球市场份额需要保持平稳态势，纺织工业的前进方向从速度型向效益型靠近。目前我国的纺织工业在世界范围内面临着外部巨大的挑战，西方国家提出“再工业化”战略方针和其他发展中国家迫切加速本国现代工业化发展的“双重挤压”。发达国家在百年的发展历史中积累了深厚的科研基础，培育了知名品牌，具备明显的优势，除此之外发达国家在制造装备，技术优势、智能服装等领域的的优势越来越明显。另外，亚非拉地区的发展中国家具备劳动力优势，以印度、越南等东南亚发展中国家最为明显，他们的不断发展逐渐成为中国纺织业的有力竞争对手。
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1.2纺织车间的工艺流程
纺织和织造工艺是纺织工业生产过程中的重要部分。纺织工艺过程主要包括：清棉、精梳、细纱、粗纱以及并条等；而织造工艺过程主要包括：络筒、并纱、整经、浆纱、织造[3, 4]。纺织厂中，每个生产工艺都有不一样的温湿度要求，本文是对温湿度要求相对较高的精梳车间为例进行研究。精梳工序的目的是去除产品中短纤维，能够大幅度提高产品中纤维的均匀长度和整齐度；无用的杂质和纤维中的棉结也在精梳工序中被除去，成品纺纱的外观规整度得到大幅度提高；使条子中纤维伸直、平行和分离；并合均匀、混和与成条。精梳过程能够去除纤维中 50%以上的生条短绒和杂质，纤维伸直度的提高不低于 85%，棉条重量均匀率提高到不低于 98%，从而使纤维的整齐度得到提高，使纱线的条干、强力和光泽得到提高，使棉条重量均匀率得到提高，从而改进成纱条干，减少纱线毛羽量，保证成纱的质量。为了保证纱线的出品质量，有效降低精梳条棉结率，生产出高品质精梳纱，应保证精梳车间的相对湿度在55%~60%[5]。精梳工序的正常生产对温湿度的要求很高，车间内精梳工序在粗纱和并条工艺之间，并且这种工序一般都布置于相对独立的位置，从而能够便于维持这个位置相对稳定的环境温度和湿度，当环境温度和湿度处于正常范围时，精梳设备处于平衡状态，精梳条棉结水平处于正常水平，如果环境温度和湿度处于不稳定状态，精梳设备运行不正常，精梳条棉结水平猛烈提升，致使精梳设备无法正常开车。严格管理生产车间环境温度和湿度，能够有效的控制棉结率。长期以来的生产经验，精梳车间的湿度应控制在 55%~60%，夏季环境温度应该保持 28℃左右，冬天环境温度应该保持在 22℃左右，此温湿度的需求有利于生产。假如环境温度和湿度低于上述数值，生产过程中容易产生静电，出现绕花、棉网破边、破洞；棉层蓬松，底部纤维梳理效果不好，棉结、棉杂的清除效果达不到，从而影响精梳工序的正常生产；假如环境温度和湿度高于上述数值，生产过程中会吸收大量的水分，然后出现缠花、粘花的情况；棉层粘连很难梳理，棉结、棉杂的清除效果也达不到，从而影响精梳工序的正常生产。绕花、缠花、粘花等都是产生棉结的重要因素，所以严格控制精梳车间环境温度和湿度能够有效的降低棉结，使产品质量得以保证[6]。
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2 车间相对湿度隔断数值模拟基础理论
室内的气流组织状态由速度、温湿度及粒子浓度分布等组成，其中的温湿度及速度对室内状态影响最大，是室内气流组织变化的基础研究。其气流组织的合理性会直接关系到工艺车间的温湿度和空调区域的舒适度是否满足生产要求，与此同时也会对车间空调系统的运行能耗起到决定性作用。本文研究的对象是纺织厂中的高湿车间，以数值模拟计算为基础，车间内送回风方式为上送下回，数值模型中空调系统的送回风口按车间实际情况来布置，并对车间内部工艺之间加设空气幕带使空调区域横向分区，满足车间生产要求，进而得到最优的喷口宽度和送风速度。以此来满足室内的舒适度和车间生产的温湿度要求，更大程度地降低空调运行能耗。
2.1湍流流动概述
根据雷诺数值的大小，可以分为两种不同的流动状态分别为层流和紊流。层流是质点做有规律可循的流动，质点在流动时互相不掺混。相反之，流体质点流动时形成涡流并相互掺混，做无规则的流动的是紊流，其相关参数（温度、速度、压强等）均随着时间和空间的改变而改变。室内气体流动为低速流动，在层流的情况下，气体的流动一般可以用动量、质量和能量方程来描述。但是实验表明，室内的气体流动基本上属于紊流状态[52]，紊流流动中的物理量会随着空间和时间而瞬间改变，质点做无规律的运动，湍流有多种物理参数可以描述，比如温度、速度、压力等，所以需要描述不同流动状态的物理参数。流体流动实质上是物质和能量的运动过程，因此要遵守基本的物理守恒定律，其主要的有能量、动量以及质量守恒定律[53]。
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2.2湍流流动的数值模拟及控制方程
在工程领域中，湍流流动是广泛存在的，任何工程的实际流畅都会有湍流问题。19 世纪末，科学家对湍流流动的研究不断深入，不仅在认识取得了很大的进步，而且在应用上也有很大的突破，特别是在空气调节领域的数值模拟。鉴于湍流自身的多因素性，目前一直在研究湍流过程中的数值模拟方法。关于湍流流动的数值模拟方式有三种：分别是直接数值模拟法、雷诺时均模拟法及大涡模拟法，雷诺时均模拟法包括湍流粘性系数法、雷诺应力微分方程模型、雷诺应力代数方程模型，湍流粘性系数法包括零方程、一方程、k-ε 两方程模型。直接数值模拟是直接对紊流状态进行数值求解，不对其建立模型。对无数大小不一，无规律的涡流形成的湍流流动直接进行数值模拟，考虑涡流的尺寸与流场相比相对较小，必须利用小空间步长，进而能得出湍流不同种类的小空间结构，因此运算工作繁杂、用时久，此外对设备有一定的要求，因此目前直接模拟法只对运算比较简单的湍流流动边界，还不能作为工程数值模拟推广。因为在大多湍流流动中，湍流的边界是很大的毫无规律，无法进行直接模拟运算，对于本文所研究的内容高湿精梳车间的气流组织分布，其实际流动比较复杂，因此直接数值模拟法在这里不适用[54]。
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3 精梳车间数值模型 ........15
3.1 精梳车间概述...........15
3.2 精梳车间模型建立............15
3.2.1 研究的对象........15
3.2.2 物理模型............16
3.3 边界条件的设置.......17
3.4 模型网格划分...........17
3.5 数值模拟的收敛.......18
3.6 模拟结果与分析.......19
3.7 本章小结..........23
4 精梳车间空气幕带隔断效果优化与分析 ........24
4.1 低速厚气流空气幕带隔断设计..........24
4.2 空气幕带临界风速的选取.........26
4.3 车间相对湿度变化对空气幕带临界风速的确定.........27
4.4 精梳车间无空气幕带模拟分析..........31
4.5 精梳车间空气幕带隔断模拟分析......34
4.6 本章小结..........38
5 结论与展望 ...........39
5.1 结论.........39
5.2 展望.........39
4 精梳车间空气幕带隔断效果优化与分析
通过对高湿车间的相对湿度采用空气幕隔断的效果分析，本文使用了单因素控制变量法，它是各行各业科研中常用的一种方法[61]。在科研过程中，仅对造成室内气流组织改变的因素加以控制，让有关因素按照一定的要求做出改变，最后将得出的结果进行比对，从而得出效果最明显的方案。精梳和并粗车间的空调送风在同一个大空间内，中间无任何障碍物阻隔，在空调正常运行过程中，室内气流组织无法调整，不能对车间相对湿度、温度进行有效控制，无法保证车间内工艺的生产要求。所以本文需控制以下数据，在不改变空调系统送风温度、相对湿度的条件下，改变空气幕带的送风速度，分别在空气幕带宽为 0.2 m、0.25 m 和 0.3 m 的条件下建立不同的数值模型，将得到的结果进行比对分析。
4.1低速厚气流空气幕带隔断设计
在现代纺织厂设计中，由于精梳产品的比例逐年增多，车间向大规模方向发展，精梳车间工艺流程的设置必须置于并条之间。但由于精梳生产工艺的要求，一般精梳工序的湿度控制标准要高于并粗车间，根据《棉纺织工厂设计规范》精梳工艺生产所需要的相对湿度范围为 55%～60%，并粗工艺生产所需要的相对湿度范围为60%～70%，在该设定送风参数下，车间空调系统能满足工艺生产对相对湿度的需要。早期设计中，通常精梳车间独立设置空调系统，以实墙或者玻璃隔断将二者隔开，从而适应精梳车间低相对湿度的要求。但随着精梳比例的增加，考虑到车间半成品的运输和存放，采用隔断的方式非常困难，从而使厂房工艺中的并条、精梳、粗纱车间采用和精梳相同的温湿度标准，为此引起原材料在车间吸放湿顺序被打乱，粗纱不能形成较好的吸湿状态，造成回潮率偏低，细纱车间飞花较多，线条会断裂，致使生产效率下降。本研究针对上述设计生产中存在的问题，采用低速厚气流空气幕带对精梳工序和并粗工序进行隔断；通过空气幕带隔断气流组织的优化，实现并粗和精梳区域的分区空调。模拟和实例均表示，采用这种空气幕带隔断能够实现区域相对湿度不同的要求，可实现大规模纺织车间环境美观，半成品运输方便的目的。
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结论
从温湿度参数对车间的重要性来分析，相对湿度值的大小对精梳和并条车间的影响较大。在工艺生产的条件上，两者对温度的要求差别不大，本课题的主要研究方向是车间内部相对湿度的横向分割。由图 3-6 和图 4-6 分别为有无空气幕带隔断时精梳和并条区域相对湿度分布。从图中可以看出，没有空气幕带隔断时，车间相对湿度并没有出现横向分层效果，精梳和并条车间的相对湿度精度要求难以保证；对工序之间加设空气幕带，空气幕喷口宽度 0.04 m，空气幕列宽 0.3 m，喷口速度 5m/s，可看出加设空气幕的车间相对湿度横向分层明显，且精梳和并条车间的相对湿度都控制在各自精度的范围之内。左侧区域的精梳工艺平均相对湿度为 59%；右侧区域的并条工艺平均相对湿度为 66%，均满足车间工序生产要求。
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参考文献（略）
