凝聚槽類型對轉杯內氣流場影響的數值模擬

劉 超, 楊瑞華， 薛 元， 高衛東(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

凝聚槽類型對轉杯內氣流場影響的數值模擬

劉 超, 楊瑞華， 薛 元， 高衛東
(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

為探究G、T、U、S型凝聚槽對36 mm直徑轉杯內氣流場的影響，在軟件Fluent中對三維流場進行數值計算分析。結果表明：在相同工藝條件下，凝聚槽在1周(0°～360°) 范圍內，4種槽型的速度大小為G型>T型>U型>S型，在0°與360°位置處靜壓大小為G型>S型>U型>T型，其余各角度位置處靜壓大小為S型>U型>T型>G型。各槽型內氣流靜壓和速度趨勢基本一致，以T型槽為例，輸棉通道內的靜壓位于-32 886.15～18 224.56 Pa之間，轉杯內的靜壓大部分處于-13 719.63～-7 330.80 Pa之間；輸棉通道內的氣流隨著管道直徑的減小而加速運動，在出口處達到最大值261.81 m/s。

轉杯紡； 凝聚槽； 數值模擬； 氣流場； 速度； 靜壓

轉杯紡是一種自由端紡紗方法，成紗過程中自由態纖維由離心力與氣流力作用在凝聚槽凝聚，隨高速旋轉的轉杯加捻成紗。轉杯紡紗機按照轉杯型號的不同，可分為自排風式和抽氣式，二者成紗過程基本一致，但形成負壓的方式不同[1]。

轉杯型號是以凝聚槽的形狀進行分類的，可分為G型、T型、S型、U型等。G型槽適紡中、低線密度機織、針織、牛仔布用紗以及染色布用紗，適紡線密度小于100 tex；T型槽應用面廣，適紡線密度小于60 tex；S型槽適紡高含雜棉及各類化纖，適紡線密度大于28 tex；U型槽適紡粗支紗，紡出的紗線強度較低，波紋較少，適紡線密度大于35 tex[1-2]。成紗質量與凝聚槽的槽型、凝聚角度的大小和摩擦因數等因素有很大關系。

曾泳春等[3]采用二維模型對噴氣織機噴嘴中的氣流運動進行數值計算，結果表明，噴孔傾角為45°時，噴嘴內氣流速度分布均勻，成紗性能好；鄒專勇等[4]建立了噴氣渦流紡噴嘴結構三維模型，表征了噴嘴內氣流場的流動情況，分析了流場內的速度分布、壓力分布以及流場與成紗機制之間的聯系；梁海順等[5]應用NUMECA軟件模擬了噴氣織機主噴嘴內部流場特征；林惠婷等[6]通過數值計算方法研究了纖維輸送管和轉杯內的氣流運動特性，探討了纖維輸送管特征數和空間位置角對纖維伸直狀態的影響。

本文以轉杯紡紗通道內氣流場作為研究對象，應用Fluent對轉杯紡紗通道內的氣流流動特征進行模擬，并分析了4種不同型號的凝聚槽對轉杯內氣流場的影響，為研究凝聚槽型號對紗線質量的影響提供理論依據。

1 抽氣式轉杯紡紗通道流場三維模型

圖1示出紡紗通道內流場的三維模型，包括引紗管、輸棉通道、轉杯等。此模型是根據日發機械股份有限公司生產的某種型號轉杯紡紗機內的轉杯所建立，轉杯直徑為36 mm。從圖1(b)可看出，轉杯直徑最大位置處形成一個凝聚纖維的凹槽，即為凝聚槽。為探究凝聚槽類型對轉杯內氣流場的影響，對直徑為36 mm,槽型為G型、T型、S型、U型的轉杯分別進行模擬。

圖1 紡紗通道內流場三維模型Fig.1 3-D Airflow field model of spinning channel (a) and cross sectional view of YZ (b)

2 紡紗通道內流場的數值計算

2.1 物理模型

由于氣流在紡紗通道內高速流動，因此，紡紗通道內氣流的流動是可壓縮的黏性流動。為簡化數值計算，忽略紡紗通道流場內的纖維運動和熱傳遞。基本控制方程為能量守恒方程和動量守恒方程。

能量守恒方程的微分表達式[7]為

(1)

式中：ρ為氣體密度；h為熵；ui為氣流速度在xi方向的分量；k為分子傳導率；kt為湍流傳遞引起的傳導率；T為溫度；Sh為被定義的體積源[7]。

動量守恒方程的微分表達式[7]為

(2)

式中：uj為氣流速度在xj方向的分量；p為壓強；τij為應力矢量；gi為沿著i方向的重力分量；Fi為阻力和能源引起的其他源項[7]。

湍流模型采用標準的k-ε模型方程：

式中：Gk為層流速度梯度產生的湍動能;Gb為浮力產生的湍動能；YM為可壓縮湍流中脈動膨脹的貢獻；μt為湍流黏性系數；σk為湍動能k對應的普朗特數；σε為耗散能ε對應的普朗特數；Sk和Sε為用戶定義的源項；C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=0.09[7]。

2.2 邊界條件設定

入口邊界：設置輸棉通道入口為質量流量入口，入口質量流量=氣體密度(1.29 kg/m3)×入口速度(50 m/s)×入口截面積(83.72 mm2)=0.005 4 kg/s。

出口邊界：由轉杯紡紗工藝可知，出口邊界為壓力出口，出口處的壓強值設為-8 kPa[8]。

固體壁面：在紡紗過程中，轉杯沿著順時針方向高速旋轉，因此，轉杯壁面的運動類型為旋轉[9]，轉速設為12萬r/min。

3 結果與討論

3.1 紡紗通道內流場分析(T型)

在對模擬計算結果進行后處理的過程中發現，G型、T型、S型和U型槽的紡紗通道內三維流場的氣流速度矢量圖及壓強分布圖的趨勢基本保持一致。本文將T型槽的紡紗通道內三維流場作為例子分析其流場模擬的結果。

圖2示出T型槽靜壓分布圖。由圖2(a)可知，轉杯紡紗通道內的靜壓處于-13.719 63～-941.96 Pa之間，小于輸棉通道內的靜壓。由圖2(b)和圖2(c)可知，輸棉通道入口處壓力達到最大值，為18 224.56 Pa，當纖維由輸送管入口處向出口處運動的過程中，輸棉通道內的靜壓逐漸變成了負壓，出口處的靜壓值為-32 886.10 Pa，纖維輸送管內的負壓有利于纖維順利脫離分梳輥，向轉杯凝聚槽內運動。從圖2(c)還可看出：轉杯內的大部分靜壓為負壓，處于-13 719.63～-7 330.80 Pa之間，有利于纖維沿著滑移面向凝聚槽運動，使紡紗順利進行；轉杯內的靜壓呈現不均勻的分布，使得轉杯由于受到氣流不平衡力的影響，在旋轉過程中的穩定性降低，磨損程度增大，使用壽命大大縮短。

圖2 T型槽靜壓分布圖Fig.2 T-type static pressure in spinning channel (a), transfer channel (b) and rotor (c)

圖3示出T型槽速度分布失量圖。由圖3(a)紡紗通道內速度分布矢量圖和圖3(b)輸棉通道內速度分布矢量圖可知，隨著輸棉通道的橫截面積逐漸縮小，輸棉通道中的氣流速度值呈梯度遞增，出口處的速度值最大，達到261.81 m/s，氣流在輸棉通道中的加速運動既有利于纖維順利向轉杯凝聚槽內移動，更有利于輸棉通道中彎鉤纖維的伸直。由圖3(c)轉杯內速度分布矢量圖可知：輸棉通道出口處的氣流碰撞到轉杯滑移面后，向周圍發散運動；隨著轉杯的高速旋轉，由于受到杯內負壓和滑移面摩擦阻力的影響，分成2股不同大小和方向的氣流，一股繞著轉杯順時針向上運動，一股繞著轉杯逆時針向上運動，在2股氣流交匯處形成渦流，渦流的形成是纖維產生包纏加捻的關鍵，有助于成紗。

3.2 凝聚槽類型對轉杯內氣流場的影響

在高速旋轉的轉杯離心力作用下，纖維由滑移面向凝聚槽內移動，疊合成環形的凝聚須條。凝聚的目的是為了連續紡紗，這是轉杯紡紗的必要工藝過程，因此，本文對G型、T型、S型和U型槽內的氣流場進行數值模擬計算，結果如圖4～5所示。

圖4示出G型、T型、S型和U型槽的壁面靜壓分布云圖。由圖可知：在相同的工藝條件下，G型槽內靜壓處于-43 468.81～22 059.51 Pa之間，T型槽內靜壓處于-32 886.15～18 224.56 Pa之間，S型槽內靜壓處于-31 944.15～19 432.92 Pa之間，U型槽內靜壓處于-32 269.47～19 154.20 Pa之間；在4種槽型中，G型槽高壓值最大，T型槽高壓值最小，S型槽低壓值最大，G型槽低壓值最小。

圖3 T型槽速度分布矢量圖Fig.3 T-type airflow velocity in spinning channel (a), transfer channel (b) and rotor (c)

注：單位為Pa。圖4 不同類型凝聚槽壁面靜壓分布Fig.4 Static pressure in different grooves. (a) G type; (b) T type; (c) S type; (d) U type

圖5示出不同類型凝聚槽壁面的速度分布，圖6示出轉杯凝聚槽1周0°～360°各個角度處的壓力和速度分布規律。0°位置處為輸棉通道中心線延長至出口與凝聚槽交匯處，角度沿著順時針方向遞增。由圖5、6可知，在相同工藝條件下，G型槽內速度值最大，T型槽與U型槽次之，且T型槽內速度值高于U型槽，S型槽內速度值最小。

注：單位為Pa。圖5 不同類型凝聚槽壁面速度分布Fig.5 Velocity of different types of grooves. (a) G type; (b) T type; (c) S type; (d) U type

圖6 凝聚槽中壓力和速度分布規律Fig.6 Pressure distribution of grooves (a) and velocity distribution of grooves (b)

從圖6(a)可看出，凝聚槽的靜壓在0°位置處達到最大值，隨著轉杯的高速旋轉，靜壓值急速下降，且在0°～20° 區間內，靜壓值由正變為負。但在320°～360°區間內，靜壓值又由負變為正，在20°～320°區間內，壓力相差不大，靜壓比較穩定。從圖6(b)可看出，在0°位置處，氣流速度較低，隨著角度遞增，速度急劇增加，在0°～20°區間內，速度梯度較大，在20°位置處，速度達到最大值，這是由于輸棉通道出口處的纖維沿著轉杯滑移面向凝聚槽中運動的過程中，纖維在該位置處的聚合效果好。沿著順時針方向，氣流速度在凝聚槽120°～180°區間內又減少了1個數量級，結合圖5可看出，輸棉通道出口處流出的高速氣流，碰到轉杯滑移面后，在滑移面摩擦阻力和負壓作用下，形成2股不同大小、反向運動的氣流，一股沿著轉杯順時針方向旋轉，一股沿著轉杯逆時針方向旋轉，2股氣流在180°位置處相遇，所以此處速度值和壓力值較小，不利于纖維的聚合、加捻成紗。

由圖6可知：4種槽型在0°和360°位置處靜壓大小為G型>S型>U型>T型，其余角度位置處靜壓大小為S型>U型>T型>G型；4種槽型在各角度位置處的速度大小為G型>T型>U型>S型。由氣流紡回轉紗條張力的測試與分析[10]結果可知，速度越大，凝聚槽內的氣流由于受到轉杯內離心力的作用，越來越易聚集，對纖維須條產生的抱合力較大，纖維與纖維間的緊密度增加，使得纖維須條的加捻阻力減小，導致紗線的捻回傳遞長度減小，紡出的紗線強力相應增加，因此，G型槽紡成的紗線強力最大，大于T型槽和U型槽，而S型凝聚槽中的纖維須條呈現蓬松狀態，使得須條的加捻阻力增大，導致紗線的捻回傳遞長度變大，纖維纏繞增多，成紗強力變小。這又和轉杯紡捻度傳遞長度的解析研究[11]中的結論一致，因為凝聚槽的夾角越大，紡出紗線的捻度傳遞長度就越大，G型凝聚槽的夾角是35°，T型凝聚槽的夾角是45°，U型凝聚槽的夾角是80°，S型凝聚槽的夾角是85°，所以4種槽型紡出的紗線的捻回傳遞長度的大小為S型>U型>T型>G型。捻度傳遞長度纏繞纖維與成紗質量[12]的實驗研究表明，紗線的捻回傳遞長度與成紗質量的關系密切。當捻回傳遞長度增加，紗線的強力下降；當捻回傳遞長度減小，紗線的強力增大。4種槽型的成紗強力大小為G型>T型>U型>S型。

4 結 論

采用3-D模型，借助流體計算分析軟件對紡紗通道內的氣流場進行模擬計算，并研究了G型、T型、U型和S型槽對轉杯內氣流流動特征的影響，得到以下結論。

1)4種槽型的紡紗通道內氣流場靜壓分布云圖與速度分布矢量圖的趨勢基本一致，以T型槽為例，轉杯紡紗通道內的靜壓低于纖維輸送管內的靜壓，纖維在纖維輸送管入口處靜壓值最大為18 224.56 Pa，出口處靜壓值最小為-32 886.10 Pa；轉杯內的靜壓分布不均勻，且大部分靜壓為負壓。

2)隨著纖維輸送管管道直徑逐漸減小，纖維由輸送管進入轉杯內的過程中加速運動，且在纖維輸送管出口處速度達到最大值261.81 m/s，有利于纖維的定向伸直；纖維到達轉杯滑移面上時一方面向凝聚槽運動，一方面沿著轉杯旋轉方向運動。

3)G型槽內靜壓處于-43 468.81～22 059.51 Pa之間，速度處于0～296.27 m/s之間；T型槽內靜壓處于-32 886.15～18 224.56 Pa之間，速度處于0～261.81 m/s之間；S型槽內靜壓處于-31 944.15～19 432.92 Pa之間，速度處于0～253.31 m/s之間；U型槽內靜壓處于-32 269.47～19 154.20 Pa之間，速度處于0～261.20 m/s之間。

4)以輸棉通道中心線延長至出口與凝聚槽交匯處為0°，角度沿凝聚槽順時針方向遞增至360°；4種槽型在0°與360°位置處靜壓大小為G型>S型>U型>T型，其余角度位置處靜壓大小為S型>U型>T型>G型；4種槽型的速度大小為G型>T型>U型>S型；G型槽紡成的纖維抱合力大，纖維須條緊密，須條加捻阻力小，捻度易于傳遞，所紡紗線強度高于其他3種槽型。

FZXB

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Numerical simulation of influence of groove type on flow field inside rotor

LIU Chao, YANG Ruihua, XUE Yuan, GAO Weidong
(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The influence of groove type on high speed airflow during rotor spun yarn was investigated. Airflow speed and static pressure in four types of groove, such as G, T, U and S of the 36 mm diameter rotor, were studied by Fluent software. The results show that under the same conditions, speeds in four groove size are G>T>U>S within the range from 0° to 360°. In 0° and 360° position, the static pressures are G>S>U>T. While for the rest of the angle position, the static pressures are S>U> T>G. Taking T groove as example, static pressures within the transfer channel are between -32 886.15 Pa and 18 224.56 Pa, static pressures within the rotor are between -13 719.63 Pa and -7 330.80 Pa. The airstream accelerates from the transfer channel inlet to the outlet with the decrease diameter of the pipe, and reaches the largest value to 261.81 m/s at the outlet.

rotor spinning; groove; numerical simulation; airflow field; speed; pressure

2016-03-23

2017-02-06

國家自然科學基金項目(51403085)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(JUSRP51631A)；江蘇省自然科學基金項目(BK20130148)；江蘇省政策引導類計劃(產學研合作)-前瞻性聯合研究項目(BY2016022-29)

劉超(1989—)，女，碩士生。主要研究方向為轉杯紡復合紗成紗結構與成紗氣流分析。楊瑞華，通信作者，E-mail: yangrh@jiangnan.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160304807

TS 101.2

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