輸棉通道幾何參數對轉杯紡氣流場影響的數值研究

林惠婷，汪 軍，2，曾泳春，2

(1.東華大學紡織學院，上海 201620;2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

在轉杯紡紗機中，輸棉通道是連接著分梳輥和轉杯的重要部件。在紡紗過程中，纖維經過分梳輥的開松分梳后，在轉杯負壓作用下，隨著氣流沿著輸棉通道轉移到轉杯凝聚槽，從而實現轉杯紡紗的順利進行。輸棉通道內氣流場的流動特征直接影響纖維的運動形態，從而影響著轉杯紗的性能優劣。Lawrence和 Chen 等［1－2］采用高速攝影儀捕捉了纖維在輸送過程中的纖維形態，并結合經驗公式，得出了最優的輸棉通道設計方案。張禮會等［3］通過紡紗試驗，并采用聚類分析方法，提出了最佳輸棉通道的設計原則和具體參數。錢曉明等［4－5］研究了輸棉通道的幾何形狀及輸棉通道與轉杯的空間位置對紡杯內須叢中纖維伸直狀態的影響。

隨著近年來計算機技術的迅速發展，基于計算流體動力學的數值計算方法逐漸應用于紡織加工領域中所涉及的流體流動問題，如Kong等［6］對輸棉通道內氣流場進行了二維數值模擬，并分析了分梳輥轉速、雷諾數和輸棉通道進口形狀等對氣流流動特性的影響。在此基礎上，Kong等研究了輸棉管道進口大小對纖維平行伸直度的影響［7］。Zeng等［8］模擬了噴氣紡第一噴嘴中的氣流流動特征，并研究了其對纖維運動規律的影響。武傳宇等［9］對轉杯內的氣流場進行了數值模擬，分析了不同滑移面角度對轉杯內氣流場的影響。張奇等［10］建立了轉杯的二維模型，獲得了轉杯內氣流場的分布。

目前，輸棉通道幾何形狀及其空間位置對輸棉通道乃至轉杯內部流場影響的研究未見報道，采用數值模擬的方法研究輸棉通道特征數及輸棉通道與轉杯空間夾角對轉杯和輸棉通道內部流場流動特征的影響，為輸棉通道的合理設計以及紡紗器的優化提供理論依據。

1 計算流體動力學模型的建立

1.1 輸棉通道和轉杯結構

在轉杯紡紗中，轉杯內的負壓是由抽氣管道將轉杯內空氣抽走之后而形成的，輸棉通道和假捻盤口作為補氣口，向轉杯內流入空氣。輸棉通道被設計成漏斗狀，夾裹著纖維的氣流從輸棉通道入口到出口不斷加速，可實現纖維有序流動并提高纖維伸直度。

采用ET380型半自動抽氣式轉杯紡紗機作為模本建立轉杯和輸棉通道的計算流體動力學模型，如圖1所示，原點位于轉杯中心位置，垂直轉杯底部為y軸正向，x軸與輸棉通道中心線成β角(見圖2)，轉杯直徑為36 mm，假捻盤補氣口直徑為3 mm，轉杯出口(即氣流出口)高度為1 mm，轉杯滑移面角度為75°。圖2中，S1和S2分別為輸棉通道入口和出口截面積，L為輸棉通道長度，為40 mm，α為輸棉通道的中心線與水平面(即x-z平面)的空間夾角，β為輸棉通道中心線在水平面上的投影與x軸之間的空間夾角。

圖1 轉杯紡輸棉通道和轉杯的三維模型Fig.1 3-D model of transfer channel and rotor in rotor spinning machine

圖2 輸棉通道的幾何參數和空間位置角Fig.2 Geometric parameters and space angles of transfer channel

為便于研究輸棉通道漸縮程度對氣流場特性的影響，引入輸棉通道的特征數λ［5］，即:

λ值越大，表明輸棉通道的漸縮度越大。

本文中，保持轉杯形狀、轉杯負壓、轉速不變，重點考察λ、α、β等參數對轉杯內及輸棉通道內氣流場特性的影響，具體設計方案見表1所示。

1.2 系統描述

由于轉杯通道尺寸小，轉杯內部負壓高，輸棉通道及轉杯內氣流速度較高，因此氣流流動為湍流流動。為簡化研究，不考慮熱交換，且假定轉杯內氣

表1 數值計算方案表Tab.1 Scheme of numerical computation

流為不可壓縮氣流，因此，模型為三維、不可壓縮、黏性、湍流模型。該模型滿足的控制方程(質量守恒方程(2)和動量守恒方程(3))如下:

式中:ρ為氣體密度，kg/m3;t為時間，s;u為氣流速度矢量，ui為氣流速度在xi方向的分量，m/s;Si為xi方向的廣義源項。流場采用瞬態、隱式求解器、RNG k-epsilon湍流模型及壁面函數法進行計算，對流項采用一階迎風格式離散，用SIMPLE算法對流場進行求解。

1.3 網格劃分和邊界條件

網格劃分:將輸棉通道和轉杯作為一個整體進行網格劃分，采用混合網格(四面體和六面體網格)，網格分點間隔長度為0.75 mm。

進口邊界:氣流進口有兩個，一是輸棉通道入口，一是假捻盤入口。本文不考慮分梳輥的影響，故假定輸棉通道入口與大氣相連接，因此，氣流進口均設為壓力入口，壓力大小為環境大氣壓。

出口邊界:由于抽氣式轉杯內的負壓是依靠轉杯頂口和罩蓋之間的外界抽氣形成的，故將轉杯頂口與罩蓋間的間隙設為壓力出口，靜壓為 －8 000 Pa。

固體邊界:假設遵循無滑移邊界條件，ux=uy=uz=0，本文不考慮轉杯轉動，因此轉杯轉速為0。

2 模擬結果與討論

2.1 輸棉通道和轉杯內的氣流流動特征

以工況6為例，對轉杯和梳棉通道內氣流流動特征進行分析，數值模擬結果見圖3～5。圖3為氣流速度矢量圖，圖4示出輸棉通道和轉杯內的粒子軌跡。受轉杯內負壓的作用，氣流從輸棉通道入口不斷加速，到達出口(即轉杯內部)時，速度增加了一個數量級。纖維在加速氣流帶動下，也不斷加速，此過程有利于后彎鉤纖維的平行伸直［5］。氣流在輸棉通道出口處速度達到最大值，到達轉杯內部，氣流受轉杯壁面阻力和出口負壓作用，分成兩股大小不一的氣流，分別繞轉杯順時針和逆時針向上運動，繞過轉杯180°后，兩股氣流相遇并形成漩渦。而逆時針流動的那股氣流受到從假捻盤補氣口流進的補氣流的干擾作用，也在轉杯內部形成漩渦，這在圖4的粒子跡線中得到證實。

圖3 輸棉通道和轉杯內氣流速度矢量圖Fig.3 Velocity vectors of transfer channel and rotor

圖4 輸棉通道和轉杯內的粒子跡線Fig.4 Path lines colored by particle ID at transfer channel and rotor interior

圖5為輸棉通道和轉杯內部的靜壓分布云圖。輸棉通道入口處的負壓最小，沿著通道負壓不斷增大，有利于單纖維從分梳輥向轉杯內轉移。在靠近輸棉通道出口處，轉杯內的氣壓接近輸棉通道出口壓力，而在轉杯其他地方，負壓相對較高，并在假捻盤口達到最大，這易使已經加捻了的纖維條子向假捻盤出口處運動，利于紗條的順利卷繞。

圖5 輸棉通道和轉杯內靜壓分布云圖Fig.5 Contours of static pressure in transfer channel and rotor

2.2 特征數λ對氣流流動特征的影響

圖6示出了不同特征數λ下，轉杯內部和輸棉通道的壓力分布云圖，圖7示出沿著輸棉通道軸向的靜壓分布曲線。從圖6～7可看出，λ為0.05時，靜壓從輸棉通道入口到出口呈現平緩降低的趨勢，且入口負壓很大，達到－1 000 Pa。而λ為0.10時，靜壓在輸棉通道入口先是穩定在－250 Pa左右，到達輸棉通道中部，靜壓開始急劇下降，直到接近出口氣壓。增大λ，輸棉通道入口靜壓增大，且輸棉通道中后部靜壓下降越急劇。值得注意的是，λ不同，輸棉通道出口氣壓卻都與抽氣壓(－8 000 Pa)相接近。轉杯內部靜壓分布也隨λ不同而有差異，λ越大，輸棉通道出口處轉杯滑移面和凝聚槽處的靜壓越大。

圖8示出沿著輸棉通道軸向的通道速度分布曲線。輸棉通道內部氣流速度從入口到出口逐漸增大，與靜壓分布曲線類似的是，λ越小，速度一直緩慢增長，而λ越大，速度則先緩慢增長，后又急劇增大。輸棉通道前后速度差異越大，越有利于伸直后彎纖維，因此，λ越大，越有利于改善纖維的伸直狀態，提高成紗質量，這與錢曉明等的實驗研究相一致［5］。

圖6 不同特征值λ時轉杯和輸棉通道內壁靜壓分布云圖Fig.6 Static pressure distribution at wall of computational zone with different λ values

2.3 空間位置角對氣流流動特征的影響

輸棉通道與轉杯的空間位置關系是影響纖維從輸棉通道向轉杯滑移面轉移的重要因素。因此，本文對不同輸棉通道空間位置角α和β下，輸棉通道和轉杯內的氣流流動進行模擬分析。

2.3.1 空間位置角α對氣流流動特征的影響

圖7 不同特征數λ時靜壓沿著輸棉通道軸向分布Fig.7 Static pressure distributions of different λ values along the transfer channel axis

圖8 不同特征數λ時速度沿著輸棉通道軸向分布Fig.8 Velocity distributions of different λ values along transfer channel axis

工況1、4和5討論了輸棉通道空間位置角α對輸棉通道和轉杯內部氣流流動特征的影響。α對輸棉通道內部氣流流動影響顯著。如圖9、10示出了不同α時，沿著輸棉通道軸向的靜壓和速度分布情況。在距離輸棉通道入口長度小于27 mm時，靜壓隨著α增大而增大，速度則隨著α增大而減小。當距離輸棉通道入口長度超過27 mm時，靜壓隨著α增大而減小，速度則隨著α增大而增大。輸棉通道內靜壓和速度先是平緩變化，到達輸棉通道中后部，靜壓和速度則急劇變化，α越大，該趨勢越明顯。增大α使得輸棉通道內部速度差異較大，有利于纖維平行伸直度的提高。

圖11、12示出了不同 α時，轉杯內 x-y截面(z=－4 mm處)的靜壓分布和速度分布。

圖9 不同空間位置角α時靜壓沿著輸棉通道軸向分布Fig.9 Static pressure distributions of different α values along transfer channel axis

圖10 不同空間位置角α時速度沿著輸棉通道軸向分布Fig.10 Velocity distributions of different α values along transfer channel axis

圖11 不同空間位置角時z=4 mm平面處轉杯內壓力分布Fig.11 Pressure distributions of different α values at z=－4 mm in rotor

由圖11可知，α越大，轉杯滑移面(靠近轉杯底部區域)的負壓越高，有利于吸附纖維，便于纖維向轉杯滑移面轉移。圖12中，輸棉通道出口處氣流速度最大，且流速沿著與轉杯底部呈α角的方向逐漸減小，在靠近轉杯出口處，出現低流速區，隨著α的增大，該區域向轉杯底部擴大，當纖維從輸棉通道向轉杯滑移面轉移時，可避免纖維向上運動而造成纖維彎曲。但是α過大，纖維從輸棉通道向轉杯內轉移時，易使纖維垂直碰撞轉杯底部，可能會產生新的彎鉤纖維，因此，α要適當偏大設計，但不宜過大。

圖12 不同空間位置角時z=4 mm平面處轉杯內速度分布Fig.12 Velocity distributions of different α values at z=－4 mm in rotor

2.3.2 空間位置角β對氣流流動特征的影響

工況1、6和7是對不同輸棉通道空間位置角β對氣流流動特征的影響分析(見圖13、14)。圖中表明，不同的β，梳棉通道內部靜壓分布以及速度分布基本一致，即β的大小對輸棉通道內靜壓分布和速度分布影響較小。

圖15示出靠近輸棉通道出口處轉杯內不同橫截面處的速度分布。由圖可知，β的大小對轉杯內部氣流分布有一定的影響，β不同，使得輸棉通道出口朝向不同，導致氣流和纖維向轉杯內轉移時，與轉杯滑移面不在同一個位置發生接觸。β增大時，輸棉通道出口方向向z=0(x-y平面)處傾斜，使得轉杯內氣流最大值向z=0處偏移(如圖15所示)，而對遠離輸棉通道出口的轉杯其他部位影響較弱。因此，β不同，主要改變纖維與轉杯的初始接觸位置，β為0°時，纖維與轉杯滑移面垂直接觸碰撞，易導致不規則纖維的產生，β增大，則有利于改善纖維的伸直狀態［3］。

圖13 不同空間位置角時靜壓沿著輸棉通道軸向分布Fig.13 Static pressure distributions of different β values along transfer channel axis

圖14 不同空間位置角時速度沿著輸棉通道軸向分布Fig.14 Velocity distributions of different β values along transfer channel axis

圖15 轉杯不同位置橫截面x=－7 mm處速度分布(y為橫截面與轉杯底部的垂直距離)Fig.15 Velocity distributions in x= －7 mm at different cross sections of rotor(y represents vertical distance from cross section to rotor bottom)

3 結論

本文采用RNG k-epsilon湍流模型對輸棉通道和轉杯紡氣流特性進行了數值模擬，并對輸棉通道特征數、空間位置角α和β對流場和纖維狀態的影響做了相應的討論，主要結論如下。

1)輸棉通道入口到出口的氣流不斷加速，并在出口處達到最大值。氣流進入轉杯后，分成兩股沿著通道出口左右兩側流動，繞著轉杯流動180°后，匯聚并形成氣流漩渦。假捻盤補氣口氣流從轉杯底部向上運動，與轉杯內氣流相互干擾，在轉杯內部形成漩渦。

2)輸棉通道特征數增大，輸棉通道負壓和流速都減小，但是負壓和流速的變化率增大。

3)輸棉通道空間位置角α增大，靜壓增大，速度減小。在輸棉通道前部，靜壓和速度變化緩慢，在輸棉通道中后部，靜壓和速度變化急劇，增大α，該變化趨勢更加明顯，即輸棉通道速度差增大，有利于纖維平行伸直度的提高。轉杯滑移面附近低速區隨著α增大而擴大，可有效阻止纖維向上運動而造成的纖維彎曲。

4)不同輸棉通道空間位置角β對輸棉通道氣流壓力分布和速度分布影響較小，但是β越大，輸棉通道出口氣流流向(纖維流向)與轉杯滑移面切線夾角越小，越有利于減少不規則纖維產生。

［1］ LAWRENCE C A，CHEN K Z.A study of the fibretransfer-channel design in rotor-spinning.part I:the fibre trajectory［J］.The Journal of the Textile Institute，1986，79(3):367 －392.

［2］ LAWRENCE C A，CHEN K Z.A study of the fibretransfer-channeldesign in rotor-spinning.partII:optimization of the transfer-channel design［J］.The Journal of The textile Institute，1986，79(3):393 －408.

［3］ 張禮會，張百祥.轉杯紡纖維輸送管道的研究［J］.中國紡織大學學報，1991，17(6):16－25.ZHANG Lihui，ZHANG Baixiang.A study of fiber transfer channel in rotor spinning［J］.Journal of China Textile University，1991，17(6):16－25.

［4］ 錢曉明，郝泉蘭，范松林.氣流紡輸棉管中運動纖維狀態的量化分析［J］.紡織學報，1995，16(6):348－351.QIAN Xiaoming， HAO Quanlan， FAN Songlin.Quantitative analysis of moving fiber state in the transfer channel of rotor spinning machine［J］.Journal of Textile Research，1995，16(6):348－351.

［5］ 錢曉明，郝泉蘭，趙穎妮，等.轉杯紡紗器輸棉管道的實驗研究［J］.天津紡織工學院學報，1996，15(4):51－54.QIAN Xiaoming，HAO Quanlan，ZHAO Yingni，et al.A study on test of the transport tube on OE-spun［J］.Journal of Tianjin Institute of Textile Science and Technology，1995，15(4):51 －54.

［6］ KONGLX， PLATFOOTR 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.

［7］ KONG L X，PLATFOOT R A.Fibre transportation in confined channel with recirculations［J］.Computers＆Structures，2000，78:237 －245.

［8］ ZENG Y C，YU C W.Numerical simulation of air flow in the nozzle of an air-jet spinning machine［J］.Textile Research Journal，2003，73(4):350 －356.

［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-Q 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.