紡紗轉杯內氣流流動特性的數值分析

肖美娜， 竇華書， 武傳宇， 陳洪立

(浙江理工大學 機械與自動控制學院, 浙江 杭州 310018)

在新型紡紗領域，轉杯紡是目前技術上最成熟，應用最廣，經濟效益顯著的一種紡紗方法。作為轉杯紡紗機的重要結構，轉杯的形狀、尺寸、轉速等參數對紗線質量有著顯著的影響。根據前人的研究，旋轉容器內不可壓縮流動隨著轉速的升高會有著顯著的變化，特別是中心線上低壓區的形狀和大小，會隨著轉速和幾何形狀的變化而變化。但是目前轉杯內的氣流流動特性還沒有得到深入的研究，很多具體的影響規律還不清楚。

相比而言，研究者對噴氣織機內的氣流流場已經進行了大量的研究。鄒專勇等[1]數值研究了不同的噴嘴結構和噴孔出口速度對噴嘴內部流場的影響，得出了噴嘴負壓和速度隨噴孔傾角的變化規律。曾泳春等[2]根據噴嘴中氣流流動特征，分析了噴孔出口速度、噴孔傾角和噴孔位置等對噴嘴內氣流流動特性和紡紗性能的影響。郭杰等[3]對噴氣織機主噴嘴引緯氣流流場進行了三維數值模擬，得出了螺旋曲面角度、導引針到空心管距離和噴嘴氣壓等參數。薛文良等[4]解析了主噴嘴內部徑向和軸向的氣流速度分布特征，并比較了不同供氣壓力條件下氣流流場的變化情況。陳革等[5]對高壓高速可壓縮的氣流三維模型進行了數值模擬。模擬結果對噴氣織機輔助噴嘴的優化提供參考。裴澤光等[6]的實驗研究結果表明，螺旋曲面角度、導引針到空心管距離和噴嘴氣壓分別在60°、1.5 mm、500 kPa左右時，成紗強度達到最佳值。

國內外對轉杯所做的研究主要包括：試驗測試轉杯紡工藝參數及關鍵部件(如捻度、轉杯速度、轉杯表面結構等)對成紗質量的影響[7]。在數值模擬方面，Kong等[8]對轉杯紡紗纖維輸送管道內的二維氣流流場進行了數值模擬，研究表明轉杯紡內部流道結構的變化、氣流流速和分梳輥速度的改變都嚴重影響纖維輸送管道內的氣流流動特性。武傳宇等[9]對紡紗通道內氣體流場的三維模擬結果表明，纖維輸送管道出口處的凝聚槽受到的壓力較大，致使轉杯受力不均勻，且不宜設計角度大于27°的滑移面。張奇等[10]數值模擬了紡杯內的氣流流動特征認為，紡杯內的流場速度處于20～150 m/s，同一截面上的速度分布較好地說明纖維的運動趨勢。

綜上所述，人們對轉杯內流場的研究較少也不透徹，轉杯的形狀、尺寸和速度對轉杯內氣流流場的影響仍不明了，僅通過試驗研究轉杯的工藝參數對紗線質量的影響還有很大的局限性，最根本的是明確轉杯的工藝參數對轉杯內氣流流場的影響，從而優化轉杯設計，提高紗線的質量和產量。

1 控制方程和數值方法

本文針對RFRS30型轉杯紡紗機，研究轉杯轉速和幾何結構對轉杯內氣流(不包含紗線)流動特性的影響。該轉杯紡紗機的紡紗通道主要由轉杯、假捻盤、引紗管和抽氣管道構成。其轉速最高可達110 000 r/min，最高引紗速度為170 m/min。在轉杯轉速超過60 000 r/min時能接上頭，已達到全自動轉杯紡紗機的接頭質量。

1.1 計算幾何模型

為方便計算和研究，對模型作如下假設：不考慮引紗管的氣流流入，即只設1個入口和1個出口。并將紡紗通道進行了適當的簡化，簡化后的紡紗通道如圖1所示。氣流從纖維輸送管入口1流入后，在纖維輸送管內經加速，由纖維輸送管出口2流出，進入轉杯凝聚槽4中(3為假捻盤)，氣流在凝聚槽中進行一定的旋轉流動后，從轉杯5的杯蓋與杯體間的空隙流出，流入轉杯外部的抽氣管道，最后由抽氣管道6的出口流出。本文所研究的轉杯三維模型是根據RFRS30型轉杯紡紗機的轉杯建立的，轉杯直徑為33 mm，滑移面角度α為22°。坐標系以轉杯底面中心為原點，Z軸指向轉杯出口處，轉杯為逆時針方向旋轉。

圖1 紡紗通道內流場三維模型Fig.1 Three-dimensional flow model of spinning channel

采用非結構化網格對轉杯紡紗通道模型進行網格劃分，并選取進口流速為50 m/s，出口靜壓為-8 000 Pa，轉杯角速度ω為2 000 rad/s的工況進行網格無關性驗證，網格密度已足夠。本文采用網格總數為377 659的計算網格。

1.2 控制方程和數值方法

紡紗通道內的流體介質采用空氣，其密度為1.205 kg/m3，黏度為1.789 4×10-5Pa·s?？刂品匠虨镹avier-Stokes方程，流動按湍流計算，湍流模型采用RNG κ-ε模型。數值方法采用有限體積法和SIMPLE算法。

張量形式的連續性方程和動量方程為

式中:ρ為流體密度；xj為直角坐標系3個方向的分量x，y，z；ui為平均相對速度分量u，v，w；P*為折算壓力(包含紊動能和離心力)；fi為體積力分量；μe為有效黏性系數，其中μe=μ+μt，μ為分子黏性系數，μt為紊動渦黏性系數。湍流模型RNG κ-ε模型采用標準的表達形式。

流體流動的進口條件為均勻速度入口，出口條件為壓力出口，轉杯壁面以一定轉速轉動，其余壁面采用無滑移邊界條件。

2 數值模擬結果和分析

2.1 紡紗通道內氣流的流場特性

采用進口流速為50 m/s，出口靜壓為-8 000 Pa，轉杯角速度為2 000 rad/s的工藝條件進行數值模擬，紡紗通道內的速度矢量圖如圖2所示。從圖2(a)中可看出，纖維輸送管的管道截面逐漸減小，氣流流速隨截面減小而增大，即氣流在纖維輸送管內不斷加速，當氣流到達纖維輸送管出口處速度最大，氣流加速的梯度越大，對纖維的轉移、伸直和舒展越有利。纖維到達轉杯杯壁后，隨著紡紗轉杯的回轉，在離心力的作用下，沿紡紗轉杯的杯壁滑移至凝聚槽，由于凝聚槽處的線速度最大，纖維向下滑移時呈加速運動，此時纖維得以牽伸。

圖2 紡紗通道內的速度矢量圖Fig.2 Velocity vector in spinning rotor channel. (a) Fiber pipe; (b) Spinning rotor; (c) Whole channel

從圖2(b)轉杯內的速度矢量圖可看出，由于纖維輸送管并非在轉杯子午面的延伸面上，因此氣流從纖維輸送管流出，碰撞到轉杯杯壁后，分流為沿相反方向流動的兩股不同大小的氣流，沿順時針流動的氣流較多，逆時針流動的較少，順時針旋轉的氣流在流過270°時與逆時針流動的氣流相撞后，氣流流向轉杯杯壁與頂蓋間的轉杯出口。由纖維輸送管滑向凝聚槽的纖維，在氣流的帶動下，沿凝聚槽滑過大半圈，并在凝聚槽內完成須條的緊密和凝聚，從引紗管拋入的引紗被吸入紡紗轉杯后，依靠紡紗轉杯旋轉產生的離心作用力被甩到凝聚槽中，與槽內須條搭接形成剝離點。在引紗羅拉的回轉牽引下，須條被從凝聚槽中漸漸剝離下來。

2.2 轉杯速度對紡紗通道流場特性的影響

圖3示出滑移角α=22°，轉杯角速度逐漸增大時，轉杯和纖維輸送管(進口段)x=0截面上的流線圖。轉杯角速度為0時，如圖3(a)所示，氣流從纖維輸送管高速流出碰撞到轉杯側壁1后，大部分氣流斜向流向假捻盤，然后形成反向的渦流3和4。此外，由于轉杯幾何結構的影響，氣流在假捻盤附近形成渦流6。隨轉杯速度的增加，在轉杯離心力的作用下，轉杯截面上的大渦流(如渦流3、4、6)逐漸向轉杯中心處移動，且渦流3尺寸變小，渦流4相對增大，渦流5和渦流6變狹長。轉杯內流動的穩定性取決于轉杯旋轉形成的低壓區和纖維輸送管入口處高速產生低壓區的制衡。轉杯角速度繼續增大到2 000 rad/s時，渦流3和渦流4恰好位于轉杯中心處。此時由氣流引起的偏心力最小，有利于減小轉杯振動和磨損，提高紗線質量。但轉速增加到4 000 rad/s時，如圖3(d)所示，轉杯截面上的渦流再次偏離轉杯中心處。

圖3 不同轉杯轉速下進口段x=0截面上 的流線圖(逆時針方向)Fig.3 Contours of streamlines in x=0 of inlet section for different rotor speeds (counter clock wise)

圖4示出與圖3相對應的紡紗通道進口段x=0截面上的總壓P0分布圖(P0=p+0.5ρU2，其中p為流體的壓力，U為流體的速度)。

圖4 不同轉速下進口段x=0截面上的總壓分布圖Fig.4 Distribution of total pressure in x=0 of inlet section for different rotor speeds

從圖4可看出，由于纖維輸送管內的氣流不斷加速運動，使得輸送管內總壓很高，纖維輸送管和轉杯內的壓差有利于纖維順利進入轉杯。若轉杯內沒有進氣口和出氣口的影響，在旋轉壁面的驅動下，流體受離心力的作用，會在凝聚槽中心處形成低壓區，但是由于受到纖維輸送管中高速氣流的影響，轉杯內的低壓中心下移。由于碰撞到轉杯壁面后形成的兩股氣流中，順時針旋轉的氣流流量大、速度高，逆時針旋轉的氣流流量小、速度低，從而使圖4中凝聚槽附近轉杯右側總壓明顯高于左側。當轉杯角速度為2 000 rad/s，轉杯中心低壓區與纖維輸送管出口處的低壓區相制衡，有利于轉杯內壓力的均勻分布，保持轉杯的穩定性。

圖5示出α=22°，轉杯角速度逐漸增大時，轉杯y=0截面上的流線圖。當轉杯角速度為0時，轉杯截面上形成了一個較大的低速回流區。隨轉杯轉速的增加，渦流先向中心軸方向移動，后遠離中心軸，且渦流尺寸先增大后減小。當轉杯角速度為2 000 rad/s時，渦流尺寸最大，且基本位于轉杯中心軸處。

圖5 不同轉杯轉速下進口段y=0截面上的流線圖Fig.5 Contours of streamlines in y=0 of inlet section for different rotor speeds

圖6示出α=22°，轉杯角速度逐漸增大時，轉杯z=0.007 4 m截面(即凝聚槽最大直徑處的平面)上的流線圖。轉杯角速度為0時，氣流從纖維輸送管流出碰撞到轉杯側壁1后，形成2股反向的支流。較大的一股支流沿順時針流過大約270°時與逆時針流動的氣流相撞，形成一條渦街(包含渦流2、3和4)，此外轉杯截面上還存在較大的渦流5和6。隨轉杯轉速的增加，渦街的尺寸逐漸增大，反向兩氣流相撞的位置幾乎不變。但當轉速增加到4 000 rad/s時，渦街尺寸減小，兩氣流相撞的位置明顯地沿逆時針方向移動。

圖6 不同的轉杯轉速下轉杯z=0.007 4 m 截面上的流線圖Fig.6 Contours of streamlines in z=0.007 4 m of rotor for different rotor speeds

2.3 滑移角對紡紗通道流場特性的影響

圖7示出轉杯角速度為2 000 rad/s，滑移角分別為17°，19.5°，22°和24.5°時，轉杯和纖維輸送管x=0截面上的流線圖。可看出，只有轉杯滑移角為22°時，渦流2和3完全位于轉杯中心軸處，如圖7(c)所示。其余滑移角下，渦流2和3都或多或少的偏離中心軸。此外，通過對上述工況下y=0截面流線圖的分析也可得出，轉杯角速度為2 000 rad/s，轉杯的滑移角為22°時，轉杯中心的大渦流位于轉杯的中心軸處。

圖7 不同的滑移角下進口段x=0截面上的流線圖Fig.7 Contours of streamlines in x=0 of inlet section for different slip angles

2.4 轉杯轉向對紡紗通道流場特性的影響

由于纖維輸送管并非在轉杯子午面的延伸面上，氣流從纖維輸送管流出，碰撞到轉杯杯壁后形成兩股大小不同的反向氣流，沿順時針流動的氣流較多，因此轉杯的轉向會對兩氣流的相互作用產生影響。

圖8示出滑移角α=22°，轉杯沿順時針方向分別以0、1 000、2 000和4 000 rad/s的角速度轉動時進口段x=0截面上的流線圖。可看出，相對于靜止的轉杯，當轉杯以一定的速度沿順時針方向轉動時，轉杯中心的渦流3和4向轉杯中心軸方向稍有移動。但繼續增大轉杯轉速，轉杯截面上渦的分布和大小基本不變，因此，轉杯順時針轉動時轉杯內氣流的流動狀況可近似的等價于轉杯靜止時轉杯內流體的流動特性。

圖8 不同轉速下進口段x=0截面上的 流線圖(順時針方向)Fig.8 Contours of streamlines in x=0 of inlet section for different rotor speeds (clockwise)

從圖8和圖3可看出，滑移角α=22°，轉杯轉速小于2 000 rad/s時，轉杯逆時針轉動有利于轉杯內壓力的制衡；轉杯轉速稍大于2 000 rad/s時，轉杯逆時針轉動是有利的，但轉速較大時，轉杯順時針旋轉更利于轉杯的穩定性，減小轉杯的磨損。

圖9示出滑移角α=22°，轉杯角速度分別為2 000、-2 000、4 000和-4 000 rad/s時，進口段x=0截面上的流線圖，角速度為正表示逆時針旋轉，反之順時針旋轉?？煽闯觯旱娃D速下，逆時針旋轉有利于轉杯的穩定；高轉速下，順時針旋轉有利于轉杯的穩定。通過對比上述4種工況下y=0截面上的流線圖也可得出上述結論。

圖9 不同的轉杯轉向和轉速下進口段 x=0截面上的流線圖Fig.9 Contours of streamlines in x=0 of inlet section for different directions and rotor speeds

3 結 論

本文利用定常的三維Navier-Stokes方程和RNG κ-ε湍流模型，對轉杯紡紗機紡紗通道內的流動進行了數值模擬，分析了轉速和幾何參數對轉杯內氣流流動特性的影響。根據模擬結果得出了紡紗通道內的氣流特征。

1)氣流在纖維輸送管內呈加速運動，當氣流到達纖維輸送管出口處速度達到最大。這個速度在纖維輸送管出口處的凝聚槽附近形成了負壓，負壓的大小對轉杯的穩定性起重要作用。

2)由于纖維輸送管并非在轉杯子午面的延伸面上，因此氣流從纖維輸送管流出，在轉杯杯壁上形成沿相反的兩個方向上流動的2股不同大小的氣流，沿順時針流動的氣流較多，順時針氣流在流過大約270°時與逆時針流動的氣流相撞，流向轉杯杯壁與頂蓋間的轉杯出口。

3)隨轉杯轉速的增加或滑移角的增大，轉杯中心的回流區先向中心軸處移動，然后遠離中心軸。這是由于旋轉所引起的中心低壓區和輸送管出口處所形成的低壓區相互平衡的結果。當轉杯角速度為2 000 rad/s，滑移角為22°時，轉杯內部的主低壓區位于軸線處。這個位置使轉杯內流動軸對稱性最好，此狀態造成的脈動和振動也是最小。

4)由于纖維輸送管的位置非對稱，低轉速下，轉杯逆時針旋轉有利于轉杯的穩定；高轉速下，轉杯順時針旋轉有利于轉杯的穩定。

本文研究結果為揭示紡紗通道內復雜流動現象的作用機制提供了參考，為轉杯紡紗機轉杯速度和轉杯幾何形狀的選擇提供了借鑒。

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[1] 鄒專勇, 俞建勇, 薛文良, 等. 噴氣渦流紡工藝參數對氣流場影響的數值計算 [J]. 紡織學報, 2008, 29(4): 32-36.

ZOU Zhuanyong, YU Jianyong, XUE Wenliang, et al. Numerical computation of flow filed affected by process parameters in air jet vortex spinning machine [J]. Journal of Textile Research, 2008, 29(4): 32-36.

[2] 曾泳春, 郁崇文. 噴氣紡噴嘴中氣流流動的數值計算 [J]. 東華大學學報, 2002, 28(5): 11-16.

ZENG Yongchun, YU Chongwen. Numerical computation of air flow in the nozzle of air-jet spin-ning [J]. Journal of Donghua University, 2002, 28(5): 11-16.

[3] 郭杰, 馮志華, 曾庭衛. 基于 FLUENT 的噴氣織機主噴嘴內部氣流場三維數值分析 [J]. 蘇州大學學報, 2009, 29(2): 38-42.

GUO Jie, FENG Zhihua, ZENG Tingwei. 3D analyses on the inner flow field of the main nozzle in air-jet looms based on FLUENT [J]. Journal of Suzhou University, 2009, 29(2): 38-42.

[4] 薛文良, 魏孟媛, 陳革, 等. 噴氣織機主噴嘴內部流場的數值計算 [J]. 紡織學報, 2010, 31(4): 124-127.

XUE Wenliang, WEI Mengyuan, CHEN Ge, et al. Numerical simulation of flow field in main nozzle of air jet loom [J]. Journal of Textile Research, 2010, 31(4): 124-127.

[5] 陳革, 吳重敏, 沈軍, 等. 基于Fluent的輔助噴嘴氣流流場數值模擬 [J]. 紡織學報, 2010, 31(8): 122-124.

CHEN Ge, WU Zhongmin, SHEN Jun, et al. Numerical simulation of flow field of auxiliary nozzle as affected by orifice forms of air-jet loom based on Fluent [J]. Journal of Textile Research, 2010, 31(8): 122-124.

[6] 裴澤光, 俞兆昇, 郁崇文. 影響純滌綸噴氣渦流紗強度的因素 [J]. 紡織學報, 2008, 29(12): 22-24.

PEI Zeguang, YU Zhaosheng, YU Chongwen. Effect of parameters on tenacity of polyester MVS yarn [J]. Journal of Textile Research, 2008, 29(12): 22-24.

[7] 張百祥. 轉杯紡關鍵部件與成紗質量的探討 [J]. 紡織器材, 2008(1): 36-39.

ZHANG Baixiang. My view on the key parts of rotor spinning in relation to the quality of the resultant yarn [J]. Textile Accessories, 2008(1): 36-39.

[8] KONG L X , PLATFOOT R A. Two-dimensional simulation of air flow in the transfer channel of open-end rotor spinning machines [J]. Textile Research Journal, 1996, 66(10): 641-650.

[9] 武傳宇, 楊西偉, 陳洪立, 等. 轉杯紡紗通道內氣體三維流動的數值分析 [J]. 紡織學報, 2012, 33(3): 124 -128.

WU Chuanyu, YANG Xiwei, CHEN Hongli, et al. Numerical analysis of 3-D air flow in rotor spinning channel [J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(3): 124 -128.

[10] 張奇, 汪軍, 曾泳春. 轉杯紡紡杯內氣流流動的二維數值模擬 [J]. 紡織學報, 2013, 34(2): 51-54.

ZHANG Qi, WANG Jun, ZENG Yongchun. Numerical study of two-dimensional air flow in spinning cup of rotor spinning [J]. Journal of Textile Research, 2013, 34(2): 51-54.