纖維在轉(zhuǎn)杯和輸纖通道中的運(yùn)動模擬

楊瑞華, 何 闖

(江南大學(xué) a.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.紡織科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

轉(zhuǎn)杯紡是氣流紡紗的一種,探究轉(zhuǎn)杯紡紗通道中纖維的運(yùn)動狀態(tài),對于闡明轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)理具有重要意義。近年來有許多研究者對其他成紗方法中氣流的纖維運(yùn)動特征做了相關(guān)的研究,其中Jeffery[1]首次把纖維的物理模型看做剛性橢球,模擬了剪切流中纖維的運(yùn)動;Smith等[2]把纖維模型看做由球和桿組合而成,并模擬了纖維在層流中做變速運(yùn)動;Yamamoto等[3]建立纖維的物理模型,把纖維看做由n個半徑為a的球體組成,并賦予纖維模型彎曲、拉伸特性;朱澤飛等[4]把剛性粒子當(dāng)做纖維的物理模型,模擬了纖維在氣流中的運(yùn)動狀態(tài)。這些研究為建立纖維運(yùn)動模型提供了良好的研究背景,但轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中纖維在高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)杯內(nèi)的高速氣流場內(nèi)成紗,纖維運(yùn)動特征決定了成紗結(jié)構(gòu)和性能,對纖維在成紗器內(nèi)尤其轉(zhuǎn)杯內(nèi)復(fù)雜運(yùn)動的研究還有待深入[5]。本文在EDEM 2018中建立由若干個剛性小球連接形成的纖維模型,并通過建立Fluent-EDEM耦合分析模型,實(shí)現(xiàn)纖維模型在轉(zhuǎn)杯紡紗通道氣流場中的運(yùn)動模擬,創(chuàng)新性地采用流固耦合方法研究柔性纖維在高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場中的運(yùn)動特征,為深刻理解轉(zhuǎn)杯紡成紗機(jī)理提供基礎(chǔ),進(jìn)一步優(yōu)化成紗機(jī)構(gòu)理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 轉(zhuǎn)杯紡紗通道模型

通過SolidWorks 2018建立抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗通道模型,轉(zhuǎn)杯直徑為54 mm,凝聚槽類型為T型,如圖1所示。同時在計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)中劃分網(wǎng)格,建立Fluent-EDEM耦合分析模型。

圖1 轉(zhuǎn)杯紡紗通道模型

1.2 氣流場物理模型

轉(zhuǎn)杯紡紗通道中的氣流為湍流流動[6-8],模型滿足能量守恒與動量守恒。

能量守恒:

(1)

動量守恒:

(2)

(3)

式中:μk為沿xk方向的湍流黏性系數(shù),uk為氣流速度在xk方向的分量;ui為氣流在xi方向的速度矢量,uj為氣流在xj方向的速度矢量;ρ為氣流密度,P為壓強(qiáng);τij為雷諾應(yīng)力,δij為Komecker delta函數(shù)。

Fluent中的轉(zhuǎn)杯紡紗通道的氣流場模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,如式(4)～(5),并運(yùn)用Simple算法求解[9-10]。EDEM 2018中選用Hertz-Mindlin(No Slip)模型,如式(6)～(9)[11]。

(4)

(5)

式中:ρ為氣體密度,xi、xj分別為沿i、j的方向,ui為氣流在xi方向的速度矢量;μ為湍流黏性系數(shù);Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能;YM為對總耗散率的影響因素;σk和σε分別為湍流動能k與耗散能ε對應(yīng)的普朗特數(shù);C1ε=1.42、C2ε=1.68、C3ε=0.09。

法向力:

(6)

(7)

切向力:

Ft=-Stδt

(8)

(9)

1.3 纖維模型及邊界條件

輸纖通道進(jìn)口速度為50 m/s,轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為50 000 r/min,出口壓強(qiáng)為-8 000 Pa,引紗口壓強(qiáng)為0 Pa,如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)杯模型的邊界條件

假設(shè)纖維模型以棉纖維為原型,根據(jù)FZ/T 01101—2008(2015)《紡織品 纖維含量的測定 物理法》纖維密度表可知,密度取1.54 g/cm3,細(xì)絨棉細(xì)度分布為1.43～2.22 dtex,這里纖維線密度取2.12 dtex,楊氏模量為300 MPa,分梳輥轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,分梳輥直徑為65 mm,條子定重為18 g/10 m(1 800 tex),所紡目標(biāo)紗線為10S(58.31 tex)的純棉紗,根據(jù)《棉紡手冊》表3-9-22轉(zhuǎn)杯紡紗線推薦捻系數(shù)表可知,捻系數(shù)分布在350～450,本文設(shè)計(jì)捻系數(shù)取350,即458捻/m。

通過以上計(jì)算可知,輸纖通道中來自分梳輥的纖維約30根,由于纖維在紡紗通道氣流場中的運(yùn)動屬于流固耦合問題的研究,研究流固耦合的方法有拉格朗日法和歐拉法:采用拉格朗日法將纖維作為離散相,把纖維簡化為離散顆粒,模擬計(jì)算各個纖維顆粒在氣流場中的運(yùn)動分布特征,顆粒長度取1 mm;采用歐拉法將氣流場視為連續(xù)相,探究纖維顆粒在紡紗通道氣流場中的運(yùn)動規(guī)律。中國的棉花標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)主體長度不大于30 mm時以16 mm為短纖維的界限,為使纖維模型更接近真實(shí)情況,進(jìn)一步探究纖維的運(yùn)動特征,本文纖維長度選取16 mm。纖維長度分別選取1 mm和16 mm,EDEM中共計(jì)產(chǎn)生30根纖維,纖維由多個剛性小球連接,纖維物理模型如圖3所示。

圖3 纖維物理模型

2 纖維運(yùn)動模擬分析

為了研究纖維在轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)的運(yùn)動分布規(guī)律,本文模擬了長度為1 mm的纖維在輸纖通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)的運(yùn)動情況,探究了長度為16 mm的纖維在輸纖通道中的運(yùn)動分布過程。

2.1 輸纖通道內(nèi)氣流的壓強(qiáng)與速度分布

為探究輸纖通道內(nèi)壓強(qiáng)的分布規(guī)律,本文取Z=8.5 mm處的截面,如圖4(a)所示。在輸纖通道截面“入口-出口”處做輔助線AB,提取AB上的壓強(qiáng)數(shù)值作曲線,如圖5所示。由圖4(b)可得,輸纖通道入口到出口,壓強(qiáng)不斷降低,從曲線斜率得出,越靠近出口壓強(qiáng)減小的速率越快,入口處的壓強(qiáng)為+591.6 Pa,出口處的壓強(qiáng)為-7 400 Pa,這樣的壓強(qiáng)差有利于纖維的伸展及向轉(zhuǎn)杯內(nèi)輸送纖維。

圖4 輸纖通道內(nèi)壓強(qiáng)分布

圖5 輸纖通道Z=8.5 mm截面上AB線段上的壓強(qiáng)分布

由圖6可知,輸纖通道中氣流的速度分布并不均勻,呈速度梯度狀分布。提取輸纖通道截面上線段CD的氣流數(shù)值,作曲線(圖7)得出,輸纖通道內(nèi)的氣流做變加速運(yùn)動,越靠近出口速度越大,在輸纖通道出口處氣流速度達(dá)到最大值118.4 m/s,隨后與轉(zhuǎn)杯滑移面碰撞,速度略有降低。

圖6 輸纖通道Z=8.5 mm截面的速度分布

2.2 1 mm纖維在輸纖通道內(nèi)的運(yùn)動模擬分析

圖8展現(xiàn)了長度為1 mm的纖維在輸纖通道中的運(yùn)動狀態(tài)。在圖8(a)中,纖維間的形態(tài)較為密集,從速度標(biāo)尺可知纖維的速度相同,這是由于纖維剛進(jìn)入輸纖通道,氣流對纖維的影響較小,纖維間的速度分布較為均勻。在圖8(b)～(d)中,纖維在輸纖通道中做加速運(yùn)動,纖維在t=0.000 3 s沿著輸纖通道下壁面運(yùn)動,在t=0.000 5 s時纖維間的形態(tài)較為分散,這是因?yàn)樵娇拷斃w通道出口的位置,氣流的壓強(qiáng)梯度和速度梯度變化越快(圖4、圖6),從而使得纖維間的速度差增大。t=0.000 7 s時,由于輸纖通道的漸縮結(jié)構(gòu),越靠近出口橫截面越小,纖維又緊貼著輸纖通道下壁面運(yùn)動。在圖8(e)中,纖維完全流出輸纖通道,一部分纖維與轉(zhuǎn)杯滑移面接觸,由于與滑移面的碰撞,纖維速度較上一時刻有所降低。各時間段的纖維速度分布如表1所示,在時間t=0.000 1 s纖維速度最小為25.1 m/s,t=0.000 7 s纖維速度最大為84.2 m/s。

圖8 纖維在輸纖通道的運(yùn)動分布

表1 1 mm纖維在不同時刻的速度分布

2.3 1 mm纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)的運(yùn)動模擬分析

纖維進(jìn)入轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi),隨著轉(zhuǎn)杯一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并在凝聚槽內(nèi)纖維圍成圓圈形狀。這是由于纖維從輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯后,與轉(zhuǎn)杯滑移面接觸后滑入凝聚槽內(nèi),隨著凝聚槽內(nèi)纖維根數(shù)的增加,最終形成一定線密度的須條,經(jīng)加捻盤加捻后,通過引紗管引出紗線。

由圖9可知,纖維速度分布在85.9～89.6 m/s,輸纖通道出口與轉(zhuǎn)杯滑移面交接處纖維的速度相對較低,速度分布為85.9～86.7 m/s,如圓圈①處所示。這是由于纖維從輸纖通道流出后與滑移面發(fā)生碰撞,碰撞后的纖維發(fā)生形變,一部分動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能,使得纖維速度降低,隨后纖維又被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯逐漸加速至89.6 m/s,如圓圈②處所示。由圖10可知,纖維在轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)速度矢量方向一致,與轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向相同。如圖11所示,30根纖維中速度分布不均,是由于在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯中,氣流分布并不均勻,氣流的速度也大小不一,這就會導(dǎo)致受到氣流裹挾的纖維的速度不同。故在氣流紡紗過程中,要保證紗線質(zhì)量,首先要保證轉(zhuǎn)杯紡紗通道中穩(wěn)定的氣流場,有利于提高成紗穩(wěn)定性,減少斷頭。如圖12所示,大部分纖維的角速度與轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速(300 000 deg/s)相同,其余纖維的角速度分布在299 500～299 900 deg/s。纖維之間的角速度差,進(jìn)一步說明了纖維在高速轉(zhuǎn)杯內(nèi)運(yùn)動的復(fù)雜性。對纖維速度與纖維角速度做相關(guān)性分析,結(jié)果兩者的皮爾遜指數(shù)為0.060,Sig.值為0.785。其中皮爾遜取值為-1～1,其值大于0說明正相關(guān),小于0為負(fù)相關(guān),本次分析值為0.060,說明兩者正相關(guān)。其中Sig.表示顯著性,其值大于0.050,不顯著,在0.050～0.010為顯著,小于0.010為非常顯著,本次分析值為0.785,說明兩者關(guān)系不顯著,相關(guān)性低。

圖9 纖維在轉(zhuǎn)杯凝聚槽中速度分布

圖10 纖維在凝聚槽中速度矢量圖

圖11 纖維速度數(shù)量分布

圖12 纖維角速度纖維速度分布

如圖13所示,30根纖維的轉(zhuǎn)動動能分布在2.65×10-9～3.04×10-9J,纖維間轉(zhuǎn)動動能的差異,是由于轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的。如圖14所示,大部分纖維的轉(zhuǎn)動動能為3.04×10-9J,其余纖維的轉(zhuǎn)動動能分布在2.65×10-9～2.98×10-9J,總體來說,各個纖維之間的轉(zhuǎn)動動能差異較小。

圖13 纖維轉(zhuǎn)動動能矢量圖

圖14 纖維轉(zhuǎn)動動能-數(shù)量分布

如圖15所示,纖維的總受力為1.17×10-3～1.22×10-3N,纖維間的受力不勻是由于轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的速度、壓強(qiáng)分布不勻引起的。如圖16所示,纖維的總受力方向指向轉(zhuǎn)杯軸向,這樣的受力分布有利于纖維在轉(zhuǎn)杯底部的轉(zhuǎn)移與剝離,是成紗的必要條件。如圖17所示,纖維間的受力并不均勻,導(dǎo)致纖維受力不勻的原因是轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的復(fù)雜性及纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)受到較多力的作用;同時纖維從輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯的時間及纖維在轉(zhuǎn)杯底部的位置也不相同,也會使得纖維在受力上出現(xiàn)差異。纖維間受力不勻也反映出高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)纖維凝聚成紗機(jī)理的復(fù)雜性。

圖15 纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)的受力

圖16 纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)受力矢量分布

圖17 纖維總受力-數(shù)量分布

從圖18可知,轉(zhuǎn)杯內(nèi)纖維的總能量分布在9.67×10-6～1.05×10-5J。在輸纖通道出口與轉(zhuǎn)杯滑移面交接處附近的纖維能量較低,為9.67×10-6～9.84×10-6J,如圓圈處所示。這是由于纖維從呈漸縮狀的輸纖通道出去后與轉(zhuǎn)杯滑移面碰撞引起的,由動能公式E=1/2mv2知,動能與速度的平方成正比,碰撞使得纖維在此處的速度減小(圖9),進(jìn)而導(dǎo)致纖維的能量減小。為防止纖維在此處發(fā)生堆積,在轉(zhuǎn)杯紡紗部件的設(shè)計(jì)中要合理選用轉(zhuǎn)杯滑移面的滑移角度和輸纖通道的傾斜角度,保證紡紗過程的順利進(jìn)行。

圖18 轉(zhuǎn)杯內(nèi)纖維的能量分布

2.4 16 mm纖維在輸纖通道內(nèi)的運(yùn)動分析

為了使纖維的物理模型更接近實(shí)際情況,本文進(jìn)一步地觀察纖維在輸纖通道中的運(yùn)動,現(xiàn)增加纖維長度至16 mm,EDEM中共計(jì)產(chǎn)生30根纖維,探究纖維在輸纖通道中的運(yùn)動。

圖19展示了在時間t=0.000 1～0.001 5 s內(nèi)纖維在輸纖通道的運(yùn)動狀態(tài)。對各時段纖維的速度進(jìn)行實(shí)時取值,并計(jì)算30根的平均值,分布如表2所示。1 mm和16 mm纖維的速度分布特征如圖20所示。圖19(a)中纖維束的前端形態(tài)較為發(fā)散,后端較為集中,是由于輸纖通道中具有壓強(qiáng)梯度和速度梯度,且越靠近輸纖通道出口梯度變化越大,纖維兩端產(chǎn)生壓強(qiáng)差和速度差,使得纖維束頭尾兩端形態(tài)不同,進(jìn)一步伸直平行。圖19(b)中纖維緊貼著輸纖通道下壁面運(yùn)動,纖維速度分布在11.5～22.5 m/s,纖維速度間的差異反映了輸纖通道中氣流運(yùn)動的復(fù)雜性。圖19(c)中纖維有向輸纖通道中心線運(yùn)動的趨勢,這與外國學(xué)者Kong等[12]的研究結(jié)論相一致,纖維的形態(tài)較為分散,是由于越靠近輸纖通道出口氣流對纖維的影響越大,使得纖維間的速度不同。圖19(d)纖維速度整體進(jìn)一步提高,纖維頭端達(dá)到纖維輸送通道出口處。圖19(e)纖維速度在提高的同時,纖維頭端由通道出口處向纖維壁面沖去。圖20(f)中纖維頭端與轉(zhuǎn)杯滑移面接觸并滑向轉(zhuǎn)杯底部的凝聚槽內(nèi)。圖19(e)～(f)的中間過程中,由于纖維速度很快,從轉(zhuǎn)杯滑移面到凝聚槽內(nèi)會出現(xiàn)纖維堆積,為防止在輸纖通道出口與轉(zhuǎn)杯滑移面堆積過多纖維,輸纖通道出口與轉(zhuǎn)杯滑移面的距離要合適,避免纖維堵塞輸纖通道出口。從圖20可知,短纖維在各個時刻的速度及其平均值都要高于長纖維,有利于提高成紗速度,與生產(chǎn)中轉(zhuǎn)杯紡對短纖維適應(yīng)性強(qiáng)容易成紗的特點(diǎn)相符,但其在輸纖通道與轉(zhuǎn)杯壁面間受沖擊氣流影響較大,纖維速度急劇變化,部分纖維速度驟降,導(dǎo)致其累積在轉(zhuǎn)杯壁面不能持續(xù)向前進(jìn)入凝聚槽。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰塵容易累在積轉(zhuǎn)杯壁面的情況一致,灰塵顆粒細(xì)小,其速度特征可參考1 mm纖維。該模擬結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)輸纖通道與轉(zhuǎn)杯壁面間的空間幾何位置,弱化沖擊波氣流,減少細(xì)小塵雜顆粒與纖維的速度,提供了理論基礎(chǔ)。如圖21所示,輸纖通道中t=0.000 1～0.001 5 s時刻氣流和纖維的速度分布規(guī)律,輸纖通道中氣流的速度始終大于纖維的速度,有利于纖維的伸展,從而提高成紗質(zhì)量。

圖19 纖維在輸纖通道中不同時刻的運(yùn)動

表2 16 mm纖維在不同時刻的速度分布

圖20 不同長度纖維的速度分布特征

圖21 輸纖通道中不同時刻纖維與氣流的速度

3 結(jié) 論

選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Hertz-Mindlin(No Slip)模型,通過Fluent 19.0與EDEM 2018耦合模擬了纖維在轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)的運(yùn)動狀況,分析了纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)的運(yùn)動特征,得出了以下結(jié)論。

1) 纖維在輸纖通道中做加速運(yùn)動,1 mm纖維在纖維輸送通道入口為25.1 m/s,到達(dá)凝聚槽內(nèi)時84.2 m/s;16 mm纖維在纖維輸送通道入口為11.2 m/s,到達(dá)凝聚槽內(nèi)時68.6 m/s。

2) 纖維的速度與角速度之間相關(guān)性低,各個纖維之間的轉(zhuǎn)動動能差異相對較小,纖維間速度與受力有差異,與轉(zhuǎn)杯內(nèi)復(fù)雜的氣流場相關(guān),反映出高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)纖維凝聚成紗的復(fù)雜性。

3) 長纖維比短纖維總體速度偏低,不利于及時向轉(zhuǎn)杯凝聚槽中輸送纖維,容易在轉(zhuǎn)杯滑移面處發(fā)生堆積,不利于成紗過程的順利進(jìn)行,因此轉(zhuǎn)杯紡更適應(yīng)短纖維成紗。

4) 輸纖通道中的氣流存在壓強(qiáng)梯度和速度梯度,纖維在輸纖通道中做加速運(yùn)動,且在同一時刻輸纖通道中氣流的速度始終大于纖維的速度,這有利于纖維的伸直和輸送,提高轉(zhuǎn)杯成紗質(zhì)量。

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