全聚紡與四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡集聚區(qū)三維流場模擬與對比分析

錢 成, 劉燕卿, 劉新金, 謝春萍, 蘇旭中

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

緊密紡是一種新型的紡紗方式。緊密紡的工作原理在前牽伸羅拉和紗線的加捻區(qū)前增加了一個(gè)集聚裝置,從而減少加捻三角區(qū),提高成紗質(zhì)量[1-2]。目前,四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡已廣泛運(yùn)用,全聚紡是一種新型負(fù)壓式緊密紡,還未被廣泛運(yùn)用,兩者因集聚結(jié)構(gòu)的不同從而會(huì)產(chǎn)生不同的氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3-6]。當(dāng)前學(xué)者對兩者的氣流分布規(guī)律均有研究,但缺少系統(tǒng)性研究和對比分析,所以本文通過建立流體動(dòng)力學(xué)模型,采用ANSYS Fluent Release 16.0探究流場分布的規(guī)律,表征吸風(fēng)槽不同位置的分布規(guī)律,從而更深入的了解四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡紗系統(tǒng)和全聚紡紗系統(tǒng)的流場分布情況[7-8]。

1 流體模型的建立

1.1 集聚區(qū)流場模型

1.1.1 四羅拉網(wǎng)格圈集聚區(qū)流場模型

四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡紗裝置主要由輸出羅拉、輸出膠輥、負(fù)壓異型吸管等組成,如圖1所示。異型管上有個(gè)斜角度的吸風(fēng)斜槽,吸風(fēng)斜槽套有網(wǎng)格圈,異型管固定不動(dòng)[9-10]。在纖維的集聚過程中,纖維在輸出羅拉向前的牽引力和網(wǎng)格圈的摩擦傳動(dòng)力的共同作用下向前牽伸,吸風(fēng)槽內(nèi)的集聚氣流給予纖維橫向氣流力,使得纖維在寬度方向上聚集,最后加捻成紗線。

1.2.2 集聚紡集聚區(qū)流場模型

如圖2所示,全聚紡由輸出膠輥和前膠輥和中間的圓弧區(qū)構(gòu)成集聚區(qū)。窄槽羅拉內(nèi)的吸風(fēng)插件上布滿吸風(fēng)口[11]。機(jī)器開動(dòng)后,吸風(fēng)口產(chǎn)生負(fù)壓,集聚區(qū)上的纖維受到負(fù)壓氣流集聚。

圖1 四羅拉網(wǎng)格圈結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of four-roller lattice apron

圖2 全聚坊結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of complete condensing spinning

1.2 研究對象

四羅拉網(wǎng)格圈集聚紡紗系統(tǒng)選用無錫第七紡織機(jī)械公司生產(chǎn)的型號(hào)QFA1528的四羅拉集聚紡紗機(jī),全聚紡選用DTM129型全聚紡細(xì)紗機(jī)作為研究對象。設(shè)置X軸為纖維輸出方向,Y軸為纖維橫向聚集方向,Z軸為須條厚度方向,異型管聚集區(qū)的中心為O點(diǎn)。吸風(fēng)槽分為前區(qū)、中區(qū)、后區(qū)三個(gè)部分,在兩者的吸風(fēng)槽上各設(shè)立3個(gè)Line,分別對吸風(fēng)槽的前區(qū)、中區(qū)、后區(qū)進(jìn)行流場檢測,如圖3所示。

1.3 計(jì) 算

纖維集聚時(shí)纖維分布密集,可以忽略纖維對氣流的作用,只考慮氣流推動(dòng)纖維運(yùn)動(dòng);此外,因?yàn)榧蹍^(qū)空氣流速的平均值在40～50 m/s,空氣黏度17.9×10-6Pa·s,空氣密度1.29 kg/m3,集聚區(qū)的一般特征長度在0.2～0.7 cm,雷諾系數(shù)應(yīng)大于4 000,可認(rèn)定氣體為湍流。通過實(shí)驗(yàn)得到網(wǎng)格圈的透氣率為0.8 mm/s。

四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)設(shè)立面1、面2、面3為壓力入口,氣壓設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,面4設(shè)為壓力出口,氣壓為-2 800 Pa,其余均設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面;全聚紡設(shè)立面1、面2、面3為壓力入口,氣壓設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,面4為壓力出口,氣壓為-2 500 Pa,面5為標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)壁面,其余均設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面,如圖4所示。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格的尺寸間距都設(shè)為0.25 mm。

圖4 邊界條件設(shè)定Fig.4 Boundary condition setting

本文集聚區(qū)內(nèi)的氣體是不可壓縮氣體,流動(dòng)形式為湍流,固體壁面熱輻射太低可忽略不計(jì),集聚區(qū)的空間沒有產(chǎn)生變化,所以計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,離散形式為一階迎風(fēng)式,收斂精度10-3,迭代步數(shù)設(shè)置500。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 集聚區(qū)氣流計(jì)算結(jié)果

本文通過Fluent16.0軟件對集聚區(qū)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,兩者靠近吸風(fēng)槽的氣流流速最大,并向四周逐級遞減。

2.2 集聚區(qū)氣流壓強(qiáng)分布規(guī)律

由圖6可見,兩者的靜壓分布規(guī)律相似,兩者集聚區(qū)的前、中、后區(qū)的分布情況也相似。在集聚區(qū)中心,靜壓值達(dá)到最大,全聚紡的最大靜壓值約為-2 300 Pa,四羅拉集聚紡最大靜壓約為-2 500 Pa,沿著吸風(fēng)槽的兩側(cè)逐漸遞減直至接近大氣壓強(qiáng),說明集聚區(qū)的氣流是從集聚區(qū)兩側(cè)流入集聚區(qū)內(nèi)部。

2.3 集聚區(qū)氣流速度分布規(guī)律

圖7為兩者X軸向速度分布分量,其中圖7(a)中曲線在集聚區(qū)中心達(dá)到峰值,沿著Y軸兩側(cè)逐漸遞減,呈“U”型分布,說明氣流推動(dòng)纖維向前移動(dòng);而圖7(b)中的曲線點(diǎn)沿著中心點(diǎn)呈中心對稱,大小相似,且方向相反,氣流沿著Y軸上呈“推動(dòng)—阻礙—推動(dòng)—阻礙”的效果,這種氣流的分布不勻會(huì)在纖維集聚過程中加強(qiáng)纖維的交錯(cuò)、纏繞。

圖5 集聚區(qū)氣流速度矢量Fig.5 The flow speed vector illustration of aggregation region

圖6 集聚區(qū)不同位置處靜壓分布情況Fig.6 Static pressure distributions in different position of aggregation region

圖7 X軸向速度分量對比Fig.7 Comparison of X-axis velocity component

圖8為兩者Y軸向速度分布分量,可以從圖8(a)看出,全聚紡集聚區(qū)氣流沿Y軸均指向集聚區(qū)中心,且外側(cè)速度大于內(nèi)側(cè)速度,這樣可以使外側(cè)纖維快速向內(nèi)聚集,當(dāng)纖維達(dá)到集聚區(qū)中心時(shí),相反的氣流會(huì)對纖維產(chǎn)生擠壓,促使纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移,從而使外側(cè)的纖維繼續(xù)受到大的氣流力作用,這樣的集聚方式大幅減少了加捻三角區(qū)。圖8(b)中,纖維Y軸的氣流呈“波浪形”分布,氣流的大小和方向一直在改變,這樣的氣流力會(huì)造成纖維翻滾,使須條產(chǎn)生附加捻度。

圖9為兩者Z軸向速度分布分量,兩者的分布情況大致相同。從圖9可以看出,Z軸的速度分量都為負(fù)值且分布得較為均勻,但四羅拉網(wǎng)格圈的Z軸速度分量數(shù)值要大于全聚坊的,分布也更加穩(wěn)定;Z軸方向氣流使須條緊貼吸風(fēng)槽,阻止纖維四處游動(dòng),加強(qiáng)對纖維的聚集。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 紡紗工藝

使用無錫第七紡織機(jī)械公司生產(chǎn)的QFA1528型細(xì)紗機(jī)和東飛馬佐里紡機(jī)有限公司生產(chǎn)的DTM129細(xì)紗機(jī),分別紡制19.4、14.6、11.7 tex的棉紗,設(shè)定吸風(fēng)槽負(fù)壓-2 800 Pa,錠速10 000 r/min,隔距塊3.0 mm,如表1所示。

圖8 Y軸向速度分量對比Fig.8 Comparison of Y-axis velocity component

圖9 Z軸向速度分量對比Fig.9 Comparison of Z-axis velocity component

表1 工藝參數(shù)Tab.1 Process parameter

3.2 結(jié)果與分析

使用YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測試紗線的力學(xué)性能,使用烏斯特·茲韋格HL400檢測毛羽指數(shù),使用USTER TESTER5測試紗線條干均勻度。三種紗線成紗質(zhì)量分析如表2所示。

表2 紗線的性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of yarn properties

由表2可以看出,四羅拉網(wǎng)格圈集聚紡的強(qiáng)力和斷裂伸長率要大于全聚紡紗系統(tǒng)的,因?yàn)樗牧_拉集聚紡橫向氣流的左右分布不勻,在纖維聚集過程會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),加大紗線的捻度,而全聚紡橫向氣流左右分布均勻,則不會(huì)產(chǎn)生此現(xiàn)象。從表2還可以看出,全聚紡的3 mm以下毛羽和50%粗細(xì)節(jié)數(shù)要少于四羅拉集聚紡,條干均勻度優(yōu)于四羅拉集聚紡,因?yàn)槿奂徔v向氣流推動(dòng)纖維聚集,四羅拉集聚紡縱向氣流在短時(shí)間內(nèi)對纖維集聚有阻礙,橫向不均勻氣流也會(huì)使得單纖維的纏繞過于復(fù)雜,使得紗線的條干反而變差。綜合分析結(jié)果表明,全聚紡紗系統(tǒng)要優(yōu)于四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文使用ANSYS Fluent Release 16.0對全聚紡紗系統(tǒng)和四羅拉集聚紡系統(tǒng)的流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,獲得了集聚區(qū)靜壓分布和速度分布情況,通過對比兩者的流場分布規(guī)律發(fā)現(xiàn):1)兩者的靜壓分布規(guī)律相同,氣流從集聚區(qū)兩側(cè)流入集聚區(qū)內(nèi)側(cè);2)兩者集聚區(qū)的前區(qū)、中區(qū)、后區(qū)流場各個(gè)方向的速度分量分布規(guī)律相同,但將兩者相對應(yīng)的區(qū)域比較,發(fā)現(xiàn)速度分布情況不同;3)綜合分析兩者集聚區(qū)氣流速度分布和成紗質(zhì)量分析,全聚紡紗系統(tǒng)具有更好的集聚作用。

PDF下載