基于CFD仿真与实验的棉花纤维长度检测气流吸附结构优化研究

本研究针对新疆棉花纤维长度检测中传统人工测量效率低、光电检测适应性差等问题，通过FLUENT软件模拟气流吸附结构内部流场特性，采用单因素试验和响应面法优化结构参数（L=125.24 mm，W=8 mm，Z=90 mm），并结合正交实验确定最佳工作参数（V=12 m/s，X=15 mm）。该研究为机器视觉检测提供了稳定的纤维预处理条件，显著提升了检测精度与自动化水平，对推动棉花产业升级具有重要意义。

　　

棉花作为国民经济重要战略物资，其纤维长度是衡量品质的关键指标。然而，当前新疆棉花贸易仍依赖人工测量，存在主观性强、效率低下等问题；而高容量纤维测试仪虽能自动检测，但对短密棉适应性差且成本高昂。此外，光电检测易受棉结和杂质干扰，缺乏纤维矫直度量化指标。这些问题严重制约了棉花质量评估的自动化进程。为此，中国某研究团队在《Industrial Crops and Products》发表论文，首次将"无截面突变"结构设计与计算流体力学(CFD)响应面双目标优化相结合，提出了一种针对棉花纤维检测场景的定制化气流场解决方案。

研究采用FLUENT软件建立三维数值模型，通过单因素试验筛选关键参数（吸口长度L、宽度W、气源管轴线水平距离Z），并利用中心复合设计(CCD)进行响应面优化。实验验证阶段通过3D打印制作吸口结构，以纤维切线夹角α为评价指标开展正交实验。

3.1 纤维固定吸口流场仿真
单因素试验发现L、W、Z对平面P0速度非均匀系数S_v和平面P1平均速度V_a影响显著，而导流栅数量G和倾角α影响可忽略。响应面模型显示，W对S_v影响最大（F=278.19），L对V_a影响最显著（F=334.77）。验证试验中模型预测值与实际值的平均相对误差分别为5.64%和6.85%，证实模型可靠性。

3.3 参数优化
双目标优化得到最优结构参数：L=125.24 mm、W=8 mm、Z=90 mm，此时V_a=2.958 m/s且S_v=0.254。流场分析显示，气源管连接区域形成高速椭圆区，而吸口前段流速稳定（4.266-5.333 m/s），湍流仅出现在圆柱形吸管中心，对纤维成像干扰极小。

3.4 验证实验
正交实验表明，当风机速度V=12 m/s、吸口与棉束根部距离X=15 mm时，纤维切线夹角α最小（0.52°）。此时流场均匀性最佳，纤维矫直效果优于传统高容量纤维测试仪（检测误差±0.5 mm），且设备成本降低87.7%，维护成本减少94%。

该研究通过创新性气流场设计，解决了纤维检测中流场不均匀、能量损失大等难题。优化后的吸口结构使机器视觉检测效率提升至40秒/样本，无需24小时环境平衡，显著降低了检测门槛。这不仅为新疆棉花产业提供了高性价比的质量控制方案，也为农业工程领域的流体仿真应用提供了新范式。研究首次将CFD响应面优化与"无截面突变"结构相结合，其方法学创新对天然纤维检测设备的开发具有普适指导意义。