氣流柔軟整理機噴射結構數值優化研究

劉 健，祝之兵，吳登昊

(1.浙江工業大學 之江學院， 浙江 紹興 312030； 2.紹興柯橋浙工大創新研究院發展有限公司， 浙江 紹興 312030；3.浙江工業大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310014)

隨著國內外經濟的快速發展和消費者對高檔面料需求的激增，舒適環保的高檔面料已成為紡織服裝面料的發展趨勢。織物柔軟整理工藝是改善織物手感、紋理等布面風格的一種整理方法，其過程是降低纖維的剛性，降低纖維與纖維間的摩擦因數，使纖維發生松弛、滑動，最終賦予織物柔軟、平滑的手感，或產生縮絨、搖粒絨等質感效果。柔軟整理主要包括機械整理工藝和氣流整理工藝[1]，傳統的機械柔軟整理工藝大多通過機械拍打或旋轉的臥式滾筒等機械機構完成，該結構雖然簡單，但易造成織物處理不均勻，更嚴重的還會造成局部坯布處理過度，造成織物損傷等。氣流整理工藝由于其特有的高壓氣流物理處理技術得到了廣泛的應用。目前國內外在氣流柔軟整理機的研究方面主要集中在噴射系統、自動化控制和產品整體設計等方面。在噴射系統方面，高速氣流噴射技術目前是一種較先進的后處理技術，國外企業在這一領域的研發較早，其中意大利白卡拉尼公司新一代的AIRO系列氣流柔軟機較為成熟[2-4]。該系統可以對大部分的紡織面料進行后處理，系統集成了清洗、烘干、柔軟和定形等處理工序。國內相關學者也針對氣流柔軟機的工作原理、氣流噴射機構和相關工藝參數進行了較為系統的研究[5-7]，但是在氣流噴射機構優化方面的相關研究并不多。

本文采用數值模擬方法對面料后處理結構內部氣流場流動特性及氣流場對面料的影響進行了研究，通過幾何優化建模、網格劃分、湍流模型選擇、邊界條件設置、流固耦合等進行計算，分析了布寬b、噴嘴數n、氣腔噴嘴大小c、噴嘴傾角α、噴嘴距離面料的高度h及噴嘴間距d對面料后處理結構內部氣流場的影響及氣流場對面料的影響，進而獲得面料處理效果最優的參數組合，為高性能面料后處理結構的優化設計提供了一定的參考。

1 噴射結構試驗方案設計

1.1 正交試驗方案

為了能夠科學合理地安排試驗，減少試驗次數，縮短試驗周期的同時找出面料處理結構的最優設計方案，采用正交試驗法對氣流噴射結構開展多方案對比研究。根據調研結果，本文設計了紡織面料氣流柔軟處理機內部流道結構，氣流柔軟機流道幾何設計參數如圖1所示。

圖1 氣流柔軟機流道幾何設計參數

根據研究要求，初步確定對應需要研究的6個幾何因素為：布寬b、噴嘴數n、氣腔噴嘴大小c、噴嘴傾角α、噴嘴距離面料的高度h、噴嘴間距d。

選用6因素3水平的L27(36)正交表，確定對應因素后，列出試驗方案如表1所示。

表1 不同噴嘴方案因素水平表

1.2 模型建立與網格劃分

采用三維建模軟件CATIA對氣流柔軟整理機不同噴嘴結構方案的流體域進行建模設計，氣流柔軟機噴射結構流體域模型如圖2所示。采用網格劃分軟件ICEM CFD對所建模型進行網格劃分。計算域采用結構化網格，結構化網格可以很容易地實現區域的邊界擬合，適用于流體和表面應力集中等方面的計算。

圖2 氣流柔軟機噴射結構流體域模型

非結構網格沒有規則的拓撲結構，也沒有層的概念，網格節點的分布是隨意的，因此具有靈活性，應用范圍較廣。由于噴射結構的復雜性，同時結合結構化網格與非結構化網格對模型進行網格劃分，建立優質的網格，為后續分析創造有利條件，噴射結構氣流場模型網格劃分及邊界指定如圖3所示。本文研究中氣流柔軟機噴射結構采用結構化網格，其他部分使用非結構化網格。

圖3 噴射結構氣流場模型網格劃分及邊界指定

2 數值計算方法

2.1 氣流場數值模擬

本文采用ANSYS CFX 16.2軟件對流體域進行數值計算，并采用RNGk-ε湍流模型進行求解計算。RNGk-ε湍流模型將重整的RNG理論(重整化群理論)應用到湍流流動中，屬于高雷諾數湍流模型，是對標準k-ε湍流模型的一種改進。RNGk-ε湍流模型不僅充分考慮了離心泵內部流體流動中旋轉和旋流情況，而且能較準確地模擬離心泵近壁區流動。RNGk-ε湍流模型[8]所用湍動能方程為:

(1)

(2)

流體介質為25 ℃空氣，由于壓縮空氣從氣室中通過狹小的噴孔沿切向高速射入噴嘴揉捻腔，噴嘴中氣流為黏性、可壓流體。在正常揉捻過程中，噴嘴內氣流可視為定常流動，不考慮纖維的存在。因此，氣流柔軟整理的氣流場的基本控制方程表示如下：

div(ρv)=0

(3)

div(ρvv-τ)=-gradp+f

(4)

(5)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；v為氣體速度矢量，m/s；τ為黏性應力張量；p為氣體壓力，Pa；f為體力，一般為重力，N；T為氣體溫度，℃；k為氣體傳熱系數；cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項。

邊界條件設置為總壓力進口，參考壓力為0.5 MPa；出口設置為靜壓出口，參考壓力為0。計算流體域壁面設置為光滑無滑移壁面；各交界面模型為普通連接(General Connection)，均采用通用圖像界面(GGI)網格連接方式；采用高階求解精度，最大計算迭代步數為3 000；收斂殘差RMS設置為10-5。

2.2 面料的材料參數設置

將面料的彈性參數如楊氏模量等納入面料模型中以體現面料的彈性，面料的特性參數為：面料密度為1.2 kg/m3，楊氏模量1 430 MPa，泊松比為0.2，體積模量為7.944×108Pa，剪切模量為5.958 3×108Pa，抗拉屈服強度為63 MPa，抗壓屈服強度63 MPa，最大抗拉屈服強度為86 MPa。

2.3 面料與氣流耦合動力學模型

對面料氣流耦合運動進行數值模擬時，首先需要建立合理的面料模型。由于面料在高速氣流場中運動的過程會產生較大的位移和彎曲，而面料的應變與之相比較小，面料的運動呈現出較為明顯的幾何非線性特征。因此，采用完全拉格朗日表述法描述面料的運動與變形過程，即取t0=0時刻的纖維的構型作為參考構型，即變形前的構型，在所有的求解時刻待求的面料變量，都參照時刻t0=0的構型來定義。完全拉格朗日描述下經歷非線性大變形的柔性纖維的動態平衡方程為：

(6)

由于面料在噴嘴氣流場中運動時產生的伸長變形較小，本文假設纖維為各向同性的線彈性材料，則面料材料的本構關系式，即應力與應變的關系為：

S=DE

(7)

式中，下標0代表面料的初始構型狀態；u為面料的位移矢量，m；X為變形梯度；f為體力，N；S為應力張量；D為彈性張量。

將氣流柔軟整理機噴嘴結構的數值模擬結果導入流固耦合(FSI)中的CFX模塊；將已設置好的面料模量參數導入靜力學模塊中的工程數據模塊；并在幾何模塊中建立面料模型和網格模塊中進行網格劃分。最后對面料氣流進行兩相耦合處理，首先將面料的前后端面進行固定，然后將氣流壓力加載到面料中。

3 結果對比分析

3.1 面料總形變量及表面相對應力分布

不同噴射模型對應的面料平均壓力和平均流速如表2所示。可以發現：面料表面的平均壓力及氣流平均速度基本與噴嘴距離面料的高及噴嘴間距成反比關系，與噴嘴數成正比關系。由于研究模型過多，所以在本文中采用分類對比的方式進行篩選對比，進一步分析得出最佳參數組合。首先由參數布寬b，將模型分為3類，即2、3、4 m；然后在各類中噴嘴數相同的模型分為一類進行對比分析；最后進行總對比，最終得出最佳參數組合。

表2 不同噴射模型下面料平均壓力和平均流速對比

通過類比分析得到在相同布寬、相同噴嘴數的情況下，模型1、4、7、12、13、16、19、22、25在各自類型中面料表面的平均壓力及氣流平均速度相對較佳。所以在接下來的研究分析中將以模型1、4、7、12、13、16、19、22、25及模型對應的面料進行對比分析。

3.2 氣腔模型的靜壓分布及速度流線圖對比分析

不同流道噴射結構壓力與流線分布如圖4所示，顯示了部分氣腔模型的靜壓分布及速度流線圖。可以看出，氣流以較高的速度通過噴嘴射入柔軟處理腔，此后氣流速度迅速減小。進入柔軟處理腔的大部分氣流沿著腔壁之間的空隙區域向前流動，從腔體出口排出。在增加噴嘴之后，面料處理腔中的高速氣流回流現象只出現在第1個噴嘴后方，所以形成了一部分低壓區域，但隨著射流口傾斜角和射流口高度逐漸增大時，其他噴嘴后方的面料處理腔會出現氣流紊亂現象，這是由于面料腔中的氣流與噴嘴中的氣流形成了剪切作用造成的。部分噴嘴由于其尺寸和傾角過大，導致氣流在流出噴嘴之前就形成渦流現象，從而也進一步削減了氣流的流速和沖擊力，同時也降低了氣流對面料的處理效率。通過對比發現，當增加噴嘴數后，面料處理腔中氣流的靜壓分布及速度流線相對較平穩，沒有較大的渦流出現，即可以較為均勻地作用在面料上，從而提高面料的處理效果；但增加噴嘴數后，在處理腔末端的噴嘴氣流靜壓變低，速度變慢，也導致了面料處理效果變低。通過對比分析可得：為了能夠使氣流利用率盡可能達到最大，噴嘴的尺寸不宜過大；噴嘴的傾角不宜過大，大致在10°～15°之間；噴嘴數同樣不宜過多；噴嘴距離面料的高度則需要根據面料本身材質的硬度進行合理的調節，但不宜過高。

圖4 不同流道噴射結構壓力與流線分布

3.3 面料總形變量及表面相對應力分布

圖5和圖6分別為部分氣腔模型中面料總形變量分布和面料表面相對應力分布。考慮實際生產中，面料處理只需要固定一端即可，面料總形變量及表面相對應力是面料處理效果重要參考參數，如果面料總形變量達不到一定的值，則對面料達不到一定的處理效果；如果面料總形變量過大或分布不均，則會使面料變形或局部變形，造成物理破壞。當然面料總形變量也可以通過調節進口氣流的大小進行相應調節，本文模型對比中其面料總形變量越大，分布越均勻，即說明結構越好。對比分析部分氣腔模型中面料總形變量分布可得：當布寬增大后，其最大變形量也隨之增大；變形量分布均勻度與噴嘴數和布寬成正比。

圖5 面料總形變量分布

圖6 面料相對應力分布

對比面料表面相對應力分布，同樣可以發現氣腔模型25的面料表面相對應力由下到上逐漸遞減，左右分布較均勻。對比分析圖5、6可知，模型25對面料的處理效果最為有效。模型25的結構尺寸為布寬b為4 m、噴嘴數n為4個、氣腔噴嘴大小c為100 mm、噴嘴傾角α為10°、噴嘴距離布料的高度h為50 mm及噴嘴間距d為500 mm。

4 結 論

本文根據所建立的面料在噴射結構氣流場中的耦合動力學模型及其數值求解方法，對面料在其氣流場中的運動規律進行了數值模擬與分析；在此基礎上，進行結構改進，并運用正交試驗法對幾個重要的噴嘴結構參數對面料運動規律以及面料處理效果的影響進行深入研究，得出的結論如下：

通過分析面料特性和流道噴射結構特點，建立了面料與氣流之間相互作用的耦合動力學模型，實現了柔性面料在流體中的流固耦合分析，為面料的流體動力特性數值模擬提供了基礎。

利用正交試驗法獲取了不同結構參數的噴射結構模型，預測其不同參數結構對面料的處理效率的影響；分別對比分析了不同結構氣流場作用下的面料形變量分布和相對應力分布，綜合考慮面料表面的平均壓力，平均速度，總變形量分布和應力分布的均勻性，最終確定布寬b為4 m、噴嘴數n為4個、氣腔噴嘴大小c為100 mm、噴嘴傾角α為10度、噴嘴距離布料的高度h為50 mm及噴嘴間距d為500 mm的模型25為最佳方案。