不同壓強(qiáng)條件下環(huán)錠旋流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)模擬

初 曦， 邱 華

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

環(huán)錠紡是被廣泛使用的傳統(tǒng)紡紗方法[1-2]，其紡紗三角區(qū)的存在，使得成紗表面產(chǎn)生大量的毛羽，影響了成紗質(zhì)量及后道工序的效率。

旋流噴嘴[3]是能夠有效減少細(xì)紗表面長(zhǎng)度大于3 mm毛羽的裝置，并且可直接安裝在細(xì)紗機(jī)上。旋流噴嘴的原理是將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣通入氣道，產(chǎn)生在紗道中旋轉(zhuǎn)的渦流，使纖維束輕微解捻再加捻，改善內(nèi)外纖維轉(zhuǎn)移情況。由于旋流噴嘴的紗道具有一定長(zhǎng)度，可起到集束的作用，具有安裝難度小，使用方便，更換成本低的優(yōu)點(diǎn)，較為實(shí)際。作為一種自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的旋流噴嘴，在減少細(xì)紗的毛羽，提高紗線的質(zhì)量，增加紡織品的利潤(rùn)方面有較為廣闊的前景，可用于探索旋流對(duì)紡紗纖維集合體作用的耦合模型。

流體模擬技術(shù)相比傳統(tǒng)方法具有可提高研究效率、縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間周期、擴(kuò)大模擬條件范圍、節(jié)約成本、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用[4-5]。為改善成紗質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外均有針對(duì)纖維在氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、旋流與纖維集合體耦合作用的相關(guān)內(nèi)容開(kāi)展基礎(chǔ)研究。有研究對(duì)旋流噴嘴的最優(yōu)工藝配置[6-8]、纖維在旋流器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)[9-10]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探討。紡織裝備中纖維與氣流相互耦合運(yùn)動(dòng)的研究，有利于氣體動(dòng)力型紡織裝備的改進(jìn)，從而提升紡織材料的質(zhì)量。本文利用STAR-CCM+等商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件，建立噴嘴模型，模擬不同入口壓強(qiáng)條件下噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)及其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化，有利于進(jìn)一步研究旋流噴嘴內(nèi)氣流對(duì)紗體和纖維的作用機(jī)制。

1 流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1.1 模型建立

旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣道的一端與紗道相交，二者在相交處順時(shí)針相切，紗道總長(zhǎng)度(a+b)為21 mm，直徑為2 mm。氣道長(zhǎng)度為5 mm，氣道直徑為1.4 mm，氣道在紗道上的位置見(jiàn)圖1，圖中a=7 mm，b=14 mm。

圖1 旋流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of swirl nozzle

1.2 基本控制方程

壓縮空氣由氣道進(jìn)入旋流噴嘴，氣體的密度為非常數(shù)，所以類型為可壓縮；紗道內(nèi)高速氣流的雷諾系數(shù)為107數(shù)量級(jí)，所以視為湍流。湍流在流體運(yùn)動(dòng)中遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律，使用STAR-CCM+求解器計(jì)算的控制方程如下[11-12]：

1)連續(xù)方程

2)動(dòng)量方程

3)能量方程

式中：ρ為流體密度， kg/m3；t為時(shí)間， s；u、v和w為流體速度在x、y和z方向的速度， m/s；ui、uj分別為流速沿i和j方向的分量， m/s；p為靜壓力， Pa；τij為黏性應(yīng)力矢量的分量， Pa；gi為重力加速度在i方向的分量， m/s2；Fi為由于阻力和能源引起的其他能源項(xiàng)， J；h為焓， J/kg；T為氣體溫度， K；Sh為定義的體積熱源， W/m3；k為分子傳導(dǎo)率；kt為湍流傳遞引起的傳導(dǎo)率，在模擬中由使用的湍流模型確定，由軟件的分離式求解器求解xi。

1.3 網(wǎng)格的生成與物理模型的選擇

選用定常非結(jié)構(gòu)化切割體網(wǎng)格的劃分方法，視為不可壓縮流[13]。在貼近壁面處的邊界層網(wǎng)格選擇膨脹層網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量為315 441，圖2示出生成的體網(wǎng)格圖。

圖2 生成的體網(wǎng)格圖Fig.2 Volume grid diagram of swirl nozzle

1.4 邊界條件設(shè)置

在旋流噴嘴中，邊界包括紗道入口、紗道出口和氣道入口，氣道入口處的氣體壓強(qiáng)由儲(chǔ)壓罐噴出的氣流決定，儲(chǔ)壓罐內(nèi)的壓強(qiáng)范圍為0.005～0.25 MPa[14-15]，噴嘴截面為正圓形，且尺寸較小，容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴孔面積，所以紗道內(nèi)氣流只取決于入口處氣體壓強(qiáng)；出口壓力與外界大氣環(huán)境壓力相同，為0.101 3 MPa；高速氣流在紗道內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程進(jìn)行的很快，因此雖然管道內(nèi)壁不是絕對(duì)理想光滑，也可將流體在旋流噴嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)視為是絕熱無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=ρRT，推算出氣道入口溫度為244.069 K，式中：V為氣體體積， L；R為氣體常數(shù)， 數(shù)值為287.1 J/(kg·K)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣體流場(chǎng)分布

2.1.1 速度場(chǎng)

首先設(shè)氣道入口壓強(qiáng)為0.2 MPa，得到的速度流線圖如圖3所示。由圖可看出，空氣從氣道進(jìn)入紗道，呈現(xiàn)不規(guī)則螺旋運(yùn)動(dòng)，在紗道壁面形成沖擊向上回流并以渦流形式向兩邊流出。

圖3 旋流噴嘴內(nèi)部氣流速度跡線圖Fig.3 Trace diagram of airspeed in swirl nozzle

圖4示出分別在紗道入口與紗道出口處得到的速度跡線圖，從紗道入口的方向看，兩部分氣流均呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所以紗道入口處的氣流可解捻開(kāi)松紗體，而在紗線通過(guò)氣道后則會(huì)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)毛羽重新包裹回紗體，以及一些有害毛羽的脫離。近壁面處氣流的分布較密集且速度始終大于紗道中心附近，有利于對(duì)紗線的包裹作用。

圖4 旋流噴嘴紗道入口和出口處速度跡線圖Fig.4 Velocity trace at inlet (a) and exit (b) of swirl nozzle

圖5示出噴嘴內(nèi)部氣流的速度矢量圖，在氣道入口處速度矢量較密集，越接近出口越稀疏，氣流速度也逐漸降低?？梢钥吹缴倭克俣容^低的氣流在紗道軸線附近運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)效應(yīng)較差。

圖5 旋流噴嘴內(nèi)部氣流速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution in swirl nozzle

氣流的速度沿坐標(biāo)軸方向可分為沿x、y、z的3個(gè)軸向速度，x軸向速度主要起傳遞紗線、開(kāi)松紗體的作用，其他兩向速度起包裹紗線表面長(zhǎng)毛羽的作用。圖6示出紗道內(nèi)各向軸線上的氣流速度分布，3個(gè)速度分量大小均在x=0兩側(cè)呈對(duì)稱分布。

圖6 旋流噴嘴軸線上氣流的三向速度分布Fig.6 Three dimensional velocity distribution of air flow on the axis of swirl nozzle

對(duì)x軸向速度來(lái)說(shuō)，氣流剛進(jìn)入時(shí)速度接近零，然后隨著氣流向兩邊運(yùn)動(dòng)，速度先是迅速增大，然后產(chǎn)生小幅度波動(dòng)，之后逐漸趨于平穩(wěn)。對(duì)于y軸向速度來(lái)說(shuō)，在氣流入口處速度在負(fù)方向達(dá)到最大，隨后逐漸回升為正向速度，隨著氣流的進(jìn)一步擴(kuò)散，氣流速度大幅度波動(dòng)。z軸向速度在氣流入口處速度接近零，隨后氣流波動(dòng)幅度與y軸向速度相近，也正是因?yàn)檫@兩向速度的波動(dòng)產(chǎn)生速度差，帶動(dòng)纖維末端包裹在紗體上。

2.1.2 壓強(qiáng)場(chǎng)

圖7示出旋流噴嘴內(nèi)部xy平面范圍內(nèi)的氣流壓強(qiáng)分布圖。氣道入口和其正對(duì)的紗道下壁面處氣流壓強(qiáng)最大，而在下壁面上方出現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)。之后氣體以渦流狀向兩邊流出，噴嘴壁面附近氣壓高，靠近紗道軸線附近氣壓相對(duì)較低。

圖7 xy平面范圍內(nèi)的氣流壓強(qiáng)分布Fig.7 Distribution of air pressure in xy plane

2.2 不同噴嘴入口壓強(qiáng)對(duì)流場(chǎng)分布影響

2.2.1 流場(chǎng)云圖對(duì)比分析

本文主要選取了0.10、0.15、0.20、0.25 MPa 4種氣道入口壓強(qiáng)大小，通過(guò)改變?nèi)肟趬簭?qiáng)條件來(lái)模擬不同壓強(qiáng)條件下噴嘴內(nèi)部紗線理想位置處流場(chǎng)分布情況，截取了x=-14、-12.1、-10.2、-8.3、-6.4、-4.5、-2.6、-0.7、0、0.7、2.8、4.9、7 mm處的速度、壓力分布圖。

圖8為0.10、0.15、0.20、0.25 MPa 4種壓強(qiáng)條件下，yz面上的z軸、y軸方向的速度流場(chǎng)示意對(duì)比圖。

圖8 yz截面速度于z方向(a)和y方向(b)分布圖Fig.8 Distribution of velocity in z direction(a) andy direction(b) of yz section

由圖中z方向的速度流場(chǎng)示意對(duì)比圖得出，當(dāng)入口壓強(qiáng)為0.10 MPa時(shí)，z軸正向的速度分布區(qū)域明顯大于其余3種條件下的分布，因此，當(dāng)氣流在紗道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體整體對(duì)紗線的開(kāi)松包裹作用并未達(dá)到最佳效果。由y方向的速度流場(chǎng)示意對(duì)比圖得，向下的氣流高速運(yùn)動(dòng)，在接觸下壁面后速度驟降，高速區(qū)域范圍隨著氣流離開(kāi)噴氣入口而逐漸增大。當(dāng)入口壓強(qiáng)等于0.20 MPa和0.25 MPa時(shí)，x=-4.5 mm和x=4.9 mm處的y軸速度分布差異相對(duì)較大，所以入口壓強(qiáng)增大，對(duì)纖維束的包裹作用也更強(qiáng)烈。

圖9為氣道入口壓強(qiáng)在0.10、0.15、0.20和0.25 MPa條件下紗道yz截面壓力場(chǎng)分布對(duì)比示意圖。

圖9 yz截面壓力場(chǎng)云圖Fig.9 Cloud chart of pressure field of yz section

由圖可以看出，在進(jìn)氣口處與氣道入口正對(duì)的紗道下壁的氣流壓強(qiáng)為最大，氣道處的低壓、負(fù)壓區(qū)約占紗道截面的三分之一，隨后高壓區(qū)存在沿著順時(shí)針的方向向紗道兩端移動(dòng)的趨勢(shì)，同高壓氣流的旋轉(zhuǎn)情況相同。且因?yàn)橛屑喌辣诿媾c紗線的摩擦效應(yīng)等影響，以氣道入口中心線為對(duì)稱軸的左右兩側(cè)各位置壓強(qiáng)分布并不同，表示氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡不是標(biāo)準(zhǔn)的螺旋狀，入口壓強(qiáng)越大，高低壓分布情況就越明顯。隨著入口壓強(qiáng)的增大，紗線表面的壓強(qiáng)分布趨勢(shì)并無(wú)明顯不同，只是壓強(qiáng)大小隨入口壓強(qiáng)值的增大而增大，在高壓強(qiáng)條件下，高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓強(qiáng)值均更高，這表明入口壓強(qiáng)大小對(duì)紗線表面受力的分布并無(wú)明顯影響，只是作用力大小不同。

2.2.2 氣流壓強(qiáng)分析

據(jù)流體運(yùn)動(dòng)特性可得紗線在紗道內(nèi)部向前行進(jìn)，不會(huì)隨著流體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，紗線在噴嘴中的存在面積約占0.68%，紗線對(duì)流場(chǎng)的影響效果并不明顯，氣流會(huì)對(duì)紗線表面的毛羽進(jìn)行一定程度的推動(dòng)，紗線內(nèi)部基本不會(huì)受氣流影響，因此，為探究氣流對(duì)紗線表面的引導(dǎo)作用，模擬選取代表紗線表面上下左右的4條線來(lái)研究紗線表面氣流分布特點(diǎn)，4條線分別標(biāo)記為：直線a，x=-0.007～0.014，y=0.000 085，z=0；直線b，x=-0.007～0.014，y=-0.000 085，z=0；直線c，x=-0.007～0.014，y=0，z=0.000 085；直線d，x=-0.007～0.014，y=0，z=-0.000 085。使用ANSYS軟件得到不同壓強(qiáng)條件下4條直線上的氣流壓強(qiáng)分布如圖10所示。

圖10 不同壓強(qiáng)條件下4條直線上的壓強(qiáng)分布Fig.10 Pressure distribution on four straight lines under different pressure conditions. (a) Line a; (b) Line b; (c) Line c; (d) Line d

對(duì)于直線a，氣流從氣道進(jìn)入紗道的瞬間壓強(qiáng)最大，之后氣流撞擊壁面分成兩部分旋流分別向兩邊出口運(yùn)動(dòng)。直線b上的氣流壓強(qiáng)波動(dòng)幅度隨入口壓強(qiáng)的增大而增大，有利于毛羽的包裹，因?yàn)楦邏簠^(qū)氣流會(huì)推動(dòng)毛羽向低壓區(qū)域運(yùn)動(dòng)。直線c和d位于紗線兩側(cè)呈對(duì)稱分布，因此變化趨勢(shì)相似，在氣道入口處產(chǎn)生較高的負(fù)壓，隨后壓強(qiáng)逐漸趨于零。入口壓強(qiáng)越大，紗線表面氣流壓強(qiáng)的波動(dòng)幅度稍有增大。

3 紡紗實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備及紗線性能測(cè)試條件

原料為定量4.95 g/(10 m)的純棉粗紗，要紡的細(xì)紗產(chǎn)品捻系數(shù)為400，線密度為20 tex，Z捻紗。細(xì)紗機(jī)錠速設(shè)為9 000 r/min。入口壓強(qiáng)范圍為0.05～0.25 MPa，選擇0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 MPa 5組壓強(qiáng)值作為紡紗實(shí)驗(yàn)條件對(duì)比組，保持其他變量不變。使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為江陰市昶振紡織機(jī)械有限公司CZJF-5型全自動(dòng)多功能細(xì)紗打樣機(jī)、上海捷豹壓縮機(jī)制造有限公司丹崖分公司E2292型空壓機(jī)、上海市奉賢設(shè)備容器廠MC146型儲(chǔ)氣罐、STNC索諾天工ATC-2000型調(diào)壓閥。紗線的毛羽測(cè)試：使用YG172 A型長(zhǎng)嶺紗線毛羽測(cè)試儀，參考FZ/T 01086—2020《紡織品 紗線毛羽測(cè)定方法 投影計(jì)數(shù)法》測(cè)量紗線的毛羽指數(shù)。設(shè)置測(cè)試速度為30 m/min，片段長(zhǎng)度為10 m，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為每管10次，實(shí)驗(yàn)管數(shù)為5管。

3.2 結(jié)果與討論

得出的毛羽指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖11所示。

圖11 環(huán)錠旋流紡與環(huán)錠紡毛羽指數(shù)對(duì)比圖Fig.11 Comparison of hairiness index between ring swirl spinning and ring spinning

對(duì)于純棉紗線，旋流噴嘴能極大程度地發(fā)揮其減羽效果，毛羽指數(shù)大約減少了一半，對(duì)于入口壓強(qiáng)值由低至高條件下紡出的紗線來(lái)說(shuō)，其毛羽指數(shù)也呈現(xiàn)減小至最低再升高的趨勢(shì)，因?yàn)檫^(guò)大的氣流壓強(qiáng)會(huì)吹開(kāi)纖維條，更多的纖維頭端會(huì)脫離紗體，并且過(guò)大的氣流會(huì)造成更多纖維的流失。當(dāng)入口壓強(qiáng)為0.2 MPa時(shí)，毛羽指數(shù)達(dá)到最低，這也體現(xiàn)出設(shè)置過(guò)大、過(guò)小的旋流噴嘴入口壓強(qiáng)最終紡成的紗線減羽效果均未能達(dá)到理想程度，0.2 MPa對(duì)于此種類型純棉紗線來(lái)說(shuō)即為最優(yōu)工藝參數(shù)，在0.2 MPa的入口壓強(qiáng)條件下，氣流將紗線內(nèi)的毛羽重新包裹回紗體中。

4 結(jié) 論

通過(guò)使用STAR-CCM+與ANSYS軟件對(duì)旋流噴嘴進(jìn)行建模與數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步得到并比較了紗道內(nèi)的氣流速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的對(duì)比數(shù)據(jù)，針對(duì)旋流噴嘴的減羽機(jī)制與氣流作用的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

紗道內(nèi)氣流速度跡線表明：空氣通入氣道入口，以旋流狀向兩端噴出，以氣道為軸線，紗道中氣流速度的分布基本呈對(duì)稱形式。因此，對(duì)于Z捻紗，逆紗線運(yùn)動(dòng)方向的氣流在紗道中可開(kāi)松紗體，而在紗線通過(guò)氣道后則會(huì)因?yàn)闅饬餍虻母淖兌谶@一過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)毛羽重新包裹回紗體，以及一些有害毛羽的脫離。

通過(guò)觀察截面z、y軸速度分布圖，可看出在紗道中心軸線處的氣流速度一般小于紗道壁面附近的氣流速度，這有利于紗線在紗道中的正常行進(jìn)，避免不必要的損失；觀察不同壓強(qiáng)條件下紗道yz截面壓力場(chǎng)分布對(duì)比示意圖，可看出氣道處的低壓、負(fù)壓區(qū)約占紗道截面的三分之一，隨后高壓區(qū)向紗道入口沿順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，向紗道出口沿逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，同高壓氣流的旋轉(zhuǎn)情況相同。入口壓強(qiáng)越大，高低壓分布情況越明顯，過(guò)大或過(guò)小的旋流噴嘴入口壓強(qiáng)都未能達(dá)到最佳減羽效果。