基于有限元方法的全聚紡集聚區流場數值模擬

劉曉艷，劉新金，劉 娜，陸 如

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

基于有限元方法的全聚紡集聚區流場數值模擬

劉曉艷，劉新金，劉 娜，陸 如

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

利用有限元分析軟件ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，對全聚紡集聚區內的三維流場進行數值模擬分析。通過模擬結果的對比分析，得到全聚紡集聚區內氣流速度及氣流分布規律，對全聚紡工作原理進行解釋。其次結合環錠紡和全聚紡純棉紡紗實驗，討論氣流全聚紡集聚區氣流分布對純棉紗質量的影響。結果表明:對于純棉紗的紡制，全聚紡有利于改善成紗條干，提高成紗強力，減少有害毛羽的同時保留豐富的有益毛羽。

有限元;全聚紡;流場;集聚

集聚紡紗技術將普通環錠細紗機進行適當改進，增加了對從輸出羅拉鉗口到加捻點的紡紗三角區纖維的控制。其中負壓式集聚是目前集聚紡紗技術中應用最為廣泛的集聚形式，對于集聚區流場分布的分析研究一直是集聚紡技術研究的重點和難點［1－3］。高金霞等［4－5］研究了網眼羅拉型集聚紡系統中纖維在流場作用下的運動規律，獲得了纖維在集聚區的運動軌跡;文獻［6－7］研究了網格圈型集聚紡集聚區的流場流動情況，表征了集聚區的速度及靜壓分布;鄒專勇等［8］研究了鉆孔皮圈集聚紡紗系統集聚區域的流場流動情況，解析了集聚區域內流場的靜壓分布和速度分布規律;梅恒等［9］討論了四羅拉集聚紡系統加裝氣流導向裝置后集聚區的氣流分布變化。

全聚紡是一種新型窄槽式負壓空心羅拉集聚紡。該系統采用一種直徑為50mm的窄槽式空心羅拉并配合氣流導向片、吸風插件以及吸風系統及其配套組件的整體優化設計，可實現集聚負壓的有效利用，達到“全程集聚”效果［10］。

有限元法(FEM)是目前工程領域常用的數值模擬方法之一。ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件之一，廣泛地運用在結構、熱、聲、流體以及電磁場等領域。有限元技術應用于紡織領域的研究始于20世紀80年代［11］，早先研究較多的是紡織機件的結構力學分析，后來逐步擴展到纖維、紗線、織物等柔性材料等的分析［12－14］。近年來，隨著新型紡紗的出現，ANSYS在流場領域的應用在不斷擴大，如氣流對毛羽減除原理的分析［15］等。

本文利用ANSYS中FLOTRAN CFD的分析功能對全聚紡的氣流進行數值模擬分析，通過分析對全聚紡的工作原理做了進一步解釋。并通過與環錠紡成紗質量對比和數值模擬結果進行分析，為全聚紡的優化改造提供理論指導。

1 ANSYS全聚紡氣流模擬

計算流體動力學(FLOTRAN Computational Fluid Dynamics，簡稱FLOTRAN CFD)是常規流體分析模塊，可用于分析二維及三維流體流場。使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID142單元可以解決作用于氣動翼葉型的升力和阻力、超音速噴管的流場、彎管中流體的復雜三維流動等。分析結果可以是每個節點的壓力和每個單元的流率［15］，并可利用通用后處理功能得到壓力、流率等值線圖形顯示。本文利用該功能來模擬全聚紡的集聚區的氣流運動狀態，進一步揭示全聚紡集聚區的工作原理。

1.1 AUTOCAD集聚區模型構建

全聚紡的集聚區主要包括3個部件:氣流導向片、空心羅拉和吸風槽。其中:氣流導向片為圓弧體，長度為30mm，2個導風槽的距離為20mm，圓弧截面的內半徑為25mm，外半徑為27mm;空心羅拉的外半徑為25mm，內半徑為24.5mm，窄槽與水平夾角為8°，長度為13mm，寬度為0.9mm，厚度為0.5mm，圍繞羅拉表面共有100個條形窄槽;吸風槽的長度為18mm，兩端寬度分別為5、2mm。通過AUTOCAD建立集聚區的物理模型，如圖1所示。其中面1、面2、面3為壓力入口邊界，面4、面5為壓力出口邊界。

1.2 前處理

1)模型導入。首先將AUTOCAD中建立的模型導入到ANSYS中，導入后模型如圖2所示。

圖1 全聚紡集聚區物理模型Fig.1 Condensing zone physical model of complete condensing spinning system

圖2 ANSYS中的全聚紡集聚區物理模型Fig.2 Condensing zone physical model of complete condensing spinning system in ANSYS

2)網格劃分。通過Main Menu|Preferences選擇分析模塊 FLOTRAN CFD;通過 Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit Delete選擇單元類型3D FLOTRANM 142;在網格劃分中采用自由網格劃分，網格的單元是通過Size Cntrls|Smart Size|Adv Opts控制大小，在Global element size中設置為0.5。

3)邊界條件。設氣體為理想氣體，集聚區壓力入口處的壓力值為101300 Pa;壓力出口處的壓力值為－1500 Pa;其他邊界氣流通道處的固體壁面氣流運動受到壁面約束的作用，其速度越來越小，最后趨向0，因此，假設氣流在固體壁面處遵循無滑移邊界條件，其他邊界的速度值為0。通過 Main Menu|Preprocessor|loads|Define loads|Apply|Fluid/CFD|Pressure DOF|Areas On，在 Pressure value分別定義壓力入口處壓力值為101300Pa，壓力出口處壓力值為－1500Pa;在其他邊界的邊界條件設置如下:Main Menu|Preprocessor|loads|Define loads|Apply|Fluid/CFD|velocity|Areas On，在 VxLoad value、VyLoad value、VzLoad value 3 處均為0。

1.3 求解

定義流體的物理屬性，分別在 Density和Viscosity處選擇AIR，迭代數Exeution Ctrl設置為60，為了防止FLOTRAN的系數矩陣具有負對角線和求解不收斂，將激活動量方程或湍流方程的修正松弛因子設置為0.5，通過Main Menu|Solution|Run FLOTRAN進行求解，得到集聚區的流速分布，如圖3所示。

圖3 流場的速度分布Fig.3 Speed flow diagrams of XZ section(a)and YZ section(b)

1.4 后處理

1)位置點選取。如圖4示出后處理過程中的坐標系，設置原點為集聚區出口處對應的空心羅拉中空部分最右端位置，依次規定須條運動方向為X軸正方向、沿著羅拉表面指向吸風槽方向為Y軸正方向、垂直于羅拉表面為Z軸正方向，建立三維直角坐標系。在此基礎上，通過后處理提取信息的5個關鍵點的坐標位置，分別為:位置1位于集聚前區，坐標為(－0.001，0，0);位置2、位置3、位置4 位于集聚中區，具體坐標分別為(－0.005，0，0)、(－0.009，0，0)、(－0.0013，0，0)，集聚中區的正上方安裝氣流導向片;位置5位于集聚后區，坐標為(－0.0017，0，0)。

2)平面截取。通過Utility Menu|PlotCrls|Style|Hidden Line Options，在 Type of plot中選擇Non-hidden，分別在圖5的5個位置處沿著Y軸方向截取平面。圖5示出位置3的截面圖。

圖4 位置坐標Fig.4 Coordinates of key points

圖5 位置3的截面圖Fig.5 Section speed flow diagram of keypoint 3

3)路徑定義和信息提取。通過Main Menu|General PostProc|Path Operation|Define Path|On Working Plane定義在截面處離羅拉表面0.5mm的路徑。通過 Main Menu|General PostProc|Path Operation|Plot Path提取路徑數據。

2 全聚紡氣流分析

通過對5個位置路徑數據分析，得到4個位置處的X、Y、Z軸向的流速分布，如圖6所示。其中Y=0.0065 m表示吸風槽中間位置。X軸方向流速分布如圖6(a)所示，X軸向氣流對須條具有輸出作用，X軸的流速大于0表示X軸的氣流沿著紗線運動方向流動，一方面利于纖維的輸出，另一方面可以順直表面纖維，提高纖維集聚效果，X軸的流速小于0表示與紗線運動方向相反，不僅不利于須條的輸出而且會吹亂須條表面的纖維，不利于纖維集聚;Y軸向流速分布如圖6(b)所示，該方向氣流對須條具有直接集聚作用，由圖可見:在0～0.0065m之間Y軸的流速大于0表示氣流由吸風槽左側沿Y軸向吸風槽中間流動，在0.0065～0.013 m之間Y軸流速小于0表示氣流由吸風槽右側沿Y軸向吸風槽中間流動，從而對須條產生集聚作用，使得須條變窄，減小加捻三角區;Z軸向流速分布如圖6(c)所示，Z軸向氣流對須條可產生控制作用，Z軸的流速小于0可使得纖維緊貼在在羅拉表面繼而保持須條在集聚過程中更加穩定;Z軸的流速大于0表示可使紗線脫離羅拉表面的作用，不利于紗線的品質穩定。

圖6 流速分布圖Fig.6 Velocity vector distributions of X axis(a)，Y axis(b)and Z axis(c)

由圖6(a)可見:集聚前區(位置1)和集聚中區前部分(位置2)的X軸流速小于0，氣流的方向是與須條運動方向相反。此處X軸的速度不僅不利于須條的輸出而且會吹亂須條表面的纖維，不利于纖維集聚;在集聚中區后部分(位置3和位置4)和集聚后區(位置5)的X軸流速大于0，氣流的方向沿著須條運動方向，此處氣流利于須條的輸出，且可以順直須條表面纖維。

由圖6(b)可見:集聚前區、集聚中區、集聚后區的Y軸流速在中間位置都是由正值轉變為負值，使兩側氣流向中間流動，產生橫向集聚效果。且集聚中區的Y軸流速絕對值大于集聚前區和集聚后區，因此集聚中區的集聚作用最強。

由圖6(c)可見:在集聚前區和集聚后區的Z軸流速絕對值較大，氣流對須條具有較強的控制力，使得須條表面的纖維緊貼在羅拉表面，繼而保持須條在集聚過程中更加穩定;在集聚中區的Z軸流速絕對值較小，氣流對須條的控制力較弱。

3 紡紗實驗

3.1 實驗方案

紡紗實驗在加裝全聚紡集聚紡的細紗機和EJM-128K-SM環錠細紗機上進行，紡制JC9.7 tex的純棉紗線。

3.2 測試方法與儀器

對紗線的品質評定主要包括紗線的條干、強力、毛羽3個方面，分別測試紗線的條干CV值，粗細節，棉結，強力，強力CV值，斷裂強度，及毛羽長度≥1mm、≥2mm、≥3mm的紗線毛羽值等指標。測試儀器為:USTER?條干儀、YG063全自動單紗強力儀和YG172A紗線毛羽測試儀。指標測試環境為:溫度(21±2)℃，相對濕度(65±3)%。測試結果如表1所示。

3.3 紗線性能分析

由表1可見:1)全聚紡紗線較環錠紡紗線，條干CV值降低了11.8%，棉結和粗細節都有較大幅度的減少;強力提高了10%;毛羽有較大幅度的減少。因此，全聚紡紗線較環錠紡紗線的成紗品質有較大幅度的提升。分析比較集聚區的流速分布圖可知，Y軸流速對纖維須條具有明顯的集聚作用，尤其是在集聚中區，從而使得須條寬度變小，減小加捻三角區，改善成紗品質。2)全聚紡紗線較環錠紡紗線的短毛羽減少了20% ～50%，3mm及以上的有害長毛羽減少了75% ～90%，因此，全聚紡在大幅消除有害毛羽的同時，保留了部分有益毛羽。分析比較集聚區的流速分布圖可知，在集聚前區X軸流速與須條運動方向相反，吹亂須條表面的纖維，使得全聚紡紗線保留了部分的短毛羽。而X軸流速在集聚中區和集聚后區輔助須條的輸出，從而減少有害長毛羽。3)全聚紡紗線較環錠紡紗線條干的CV值和強力CV值分別提高了11.8%、50%。從流速分布圖中可以看到，Z軸流速在集聚前區和集聚后區的控制力較強，在集聚中區的控制力較弱，使得須條在沒有橫向集聚時，表面的毛羽得到良好的控制，對紗線性能的改善起到了輔助性作用。

表1 紗線性能測試結果Tab.1 Test results of yarn properties

4 結論

本文通過全聚紡集聚區內流速分布的數值模擬和紡紗實驗的結果及分析，得出以下結論:

1)集聚區的X軸流速對于纖維須條起到輔助集聚作用。集聚前區X軸流速與須條運動方向相反，使得全聚紡的紗線保留了部分的短毛羽;集聚中區和集聚后區的X軸流速在輔助須條輸出的同時可有效減少有害長毛羽。

2)Y軸流速對纖維須條起到直接集聚作用。其中集聚中區的流速最大，是產生集聚效果的主要區域;而集聚前區和集聚后區的Y軸流速較小，為輔助集聚區。集聚區的Y軸流速對成紗質量的提高起到了決定性的作用，大幅提高成紗強力，減少成紗毛羽。

3)Z軸流速可加強對須條的控制作用，主要集中在集聚前區和集聚后區，可使纖維緊貼在羅拉表面繼而保持須條在集聚過程中更加穩定，起到輔助集聚作用。

［1］ 竺韻德，鄒專勇，俞建勇，等.氣流槽聚型集聚紡紗系統三維流場的數值研究［J］.東華大學學報:自然科學版，2009(3):294－298.ZHU Yunde，ZOU Zhuanyong，YU Jianyong，et al.Numerical study of three dimensional flow field in compact spinning system with inspiratory groove［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2009(3):294－298.

［2］ 高小亮，謝春萍，蘇旭中.負壓對緊密紡成紗質量的影響［J］.國際紡織導報，2007(6):48－50.GAO Xiaoliang，XIE Chunping，SU Xuzhong.The effect of negative pressure on the quality of compact spun yarns［J］.Melliand China，2007(6):48－50.

［3］ 劉世瑞，鄒專勇，華志宏，等.氣流槽聚型集聚紡紗系統集聚過程及機理分析［J］.東華大學學報:自然科學版，2009(5):510－514.LIU Shirui，ZOU Zhuanyong，HUA Zhihong，et al.Condensing process and mechanism analysis of compact spinning system with inspiratory groove［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2009(5):510－514.

［4］ 高金霞，鄒專勇，華志宏，等.網眼羅拉型集聚紡集聚區須條集聚機理分析［J］.東華大學學報:自然科學版，2009(5):515－519.GAO Jinxia，ZOU Zhuanyong，HUA Zhihong，et al.Analysis of condensing principle of fiber bundle in compact spinning with perforated drum［J］.Journal of Donghua University: Natural Science Edition，2009(5):515－519.

［5］ 高金霞，華志宏，程隆棣.網眼羅拉集聚紡集聚效果的影響因素［J］.紡織學報，2010，31(5):112 －116.GAO Jinxia，HUA Zhihong，CHENG Longdi.Facters influencing compacting effect of compact spinning with perforated rollers［J］.Journal of Textile Research，2010，31(5):112－116.

［6］ 汪燕，華志宏，程隆棣，等.網格圈型集聚紡集聚區工藝參數對集聚效果的影響［J］.紡織學報，2010，31(2):27－32.WANG Yan，HUA Zhihong，CHENG Longdi，et al.Influence of processing parameters on quality of fiber compact in condensing zone of compact spinning with lattice apron［J］.Journal of Textile Research，2010，31(2):27－32.

［7］ 鄒專勇，汪燕，俞建勇，等.網格圈集聚紡紗系統三維流場表征與分析［J］.紡織學報，2009，30(6):24－28.ZOU Zhuanyong，WANG Yan，YU Jianyong，et al.Characterization and analysis of threedimensional flow field in compact spinning with lattice apron［J］.Journal of Textile Research，2009，30(6):24 －28.

［8］ 鄒專勇，竺韻德，俞建勇，等.鉆孔皮圈集聚紡紗系統三維流場的模擬與分析［J］.紡織學報，2009，30(4):111－116.ZOU Zhuanyong，ZHU Yunde，YU Jianyong，et al.Simulation and analysis of three dimensional flow field in punched apron compact spinning［J］.Journal of Textile Research，2009，30(4):111 －116.

［9］ 梅恒，徐伯俊，王超，等.基于Fluent的改進型四羅拉緊密紡系統三維流場數值仿真與分析［J］.紡織學報，2012，33(11):112 －116.MEI Heng，XU Bojun，WANG Chao，et al.Numerical simulation and analysis of three dimensional flow field of modified four-roller compact spinning system based on Fluent［J］.Journal of textile Research，2012，33(11):112－116.

［10］ 謝春萍，高衛東，劉新金，等.一種新型窄槽式負壓空心羅拉全聚紡系統［J］.紡織學報，2013，34(6):137－141.XIE Chunping，GAO Weidong，LIU Xinjin，et al.Novel complete condensing spinning system with strip groove structure［J］.Joumal of Textile Research，2013，34(6):137－141.

［11］ 張永寧，甘應進，王建剛，等.有限元分析技術及其在紡織中的應用［J］.紡織學報，2002，23(5):85 －86.ZHANG Yongning，GAN Yingjin，Wang Jiangang，et al.Finite element analysis and its application to textile industry［J］.Journal of Textile Research，2002，23(5):85－86.

［12］ 張忠勝.幾種高性能纖維的彎曲疲勞和有限元應用［D］.上海:東華大學，2013.ZHANG Zhongsheng.Bending fatigue and FEM model of several high-performance fibers［D］.Shanghai:Donghua University，2013.

［13］ 朱曄，徐伯俊.竹節紗橫截面應力的有限元分析［J］.江南大學學報，2010，9(5):577 －581.ZHU Ye，XU Bojun.Study on stress of cross-section of slub yarn by finite element method［J］.Journal of Southern Yangtze University，2010，9(5):577－581.

［14］ LI Shengyan，XU Bingang，TAO Xiaoming.Theoretical study on the geometric and dynamic performance of ring spinning triangle with finite element method［J］.American Institute of Physics，2010(5):1011 －1015.

［15］ 郭會勇.有限元在分析紗線毛羽減除機理上的應用［D］.天津:天津工業大學，2007.GU Huiyong.Research on yarn hairiness reduction mechanis using FEM［D］.Tianjin:Tianjin Polytechnic University，2007.

Numerical simulation on airflow field in complete condensing spinning system using finit element method

LIU Xiaoyan，LIU Xinjin，LIU Na，LU Ru
(Key Laboratory of Eco-Textiles(Jiangnan University)，Ministry of Education，Wuxi，Jiangsu 214122，China)

The numerical simulation of three-dimensional flow field in the condensing zone for compact spinning with groovy drum was obtained by using FLOTRAN CFD module in ANSYS.The flow field distribution of the condensing zone was given，and the compacting principle of compact spinning with groovy drum was explained.And then，in combination with cotton yarn experiments of ring spinning and compact spinning with groovy drum，the influence of the flow field distribution of compact spinning with groovy drum on cotton yarn qualities was analyzed.The results show that compact spinning with groovy drum is benefit for improving yarn evenness and strength，while retaining beneficial hairiness while reducing yarn harmful hairiness.

FEM;compact spinning;flow field;condensing

TS 112.2

A

10.13475/j.fzxb.20140303306

2014－03－15

2014－07－29

國家自然科學基金青年基金項目(11102072);江蘇省自然科學基金項目(BK2012254)

劉曉艷(1989—)，女，碩士生。研究方向為有限元在紡紗中的應用。劉新金，通信作者，E-mail:liuxinjin2006@163.com。