凹槽形狀對氣流槽聚紡紗集聚區流場及成紗性能的影響

呂金丹，程隆棣

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

環錠紡成紗品種和紗線線密度范圍廣，原料適用性強，細紗機結構簡單易維修，這些優勢使其在紡紗中占據巨大的份額，但因加捻三角區的存在，導致其成紗品質不能進一步提高；其集加捻和卷繞于一體，導致紡紗速度不能有很大提升，降低了生產效率[1-2]。為解決上述問題，研究人員研究了其它不同的紡紗方法，其中有完全跳脫環錠紡紗的新型紡紗，如轉杯紡[3]、噴氣渦流紡[4]等；還有是在環錠紡紗的基礎上進行改造而成的環錠紡紗新技術，如集聚紡紗[5-6]。與傳統環錠紗相比，集聚紡成紗質量、強度、毛羽等指標有著明顯的優勢[7]。許多研究人員對氣流型集聚紡進行了深入研究，并取得了一定的成果[8-9]，該技術也已廣泛應用于實際紡紗中，其典型代表為網格圈型集聚紡紗[10]。

Liu等[11-12]比較了不同集聚紡紗系統的成紗原理，研究結果表明，在集聚紡紗系統中，氣流對集聚過程起主要作用，不同集聚裝置的導流板對集聚區氣流流場分布具有影響。蘇旭中等[13]對不同角度的集聚槽裝置進行紡紗實驗發現，隨著集聚槽傾角的不斷增大，單紗強力降低，有害毛羽數減少，條干不勻值根據線密度不同呈現不同效果。薛文良[14]探究了網格圈型集聚紡紗直形槽和異形槽的氣流分布特征，研究結果表明，異形集聚槽中集聚區氣流分布有所增加，且異形槽集聚區集聚方向上的速度分布不對稱，可對纖維集聚起旋轉流場作用，纖維能夠在集聚區更好地翻轉，集聚效果更好。在氣流型集聚紡紗中，須條經牽伸、集聚、輸出、加捻。在這一原理下，集聚后的纖維須條經過輸出裝置的握持，集聚好的須條條干容易發生惡化，導致集聚效果變差。氣流槽聚紡紗打破了這一原理[15]，在氣流槽聚紡紗中，須條經過牽伸后進行集聚并加捻，須條集聚效果得以保持。

黃夢嵐等[16-17]研究了氣流槽聚紡紗中不同集聚負壓以及不同凹槽材質對集聚效果的影響，但有關集聚凹槽形狀對集聚區氣流分布的影響的研究鮮見報道。為此，本文參照網格圈型集聚紡紗集聚凹槽形狀的研究方法，研究不同凹槽形狀對氣流槽聚紡紗的影響，使用Anasys14.0軟件模擬不同集聚凹槽形狀下集聚區域中的氣流流場分布以及集聚區速度分布，并通過實驗進行驗證，為氣流槽聚紡紗優化關鍵部件結構提供理論參考。

1 流體動力學模型

1.1 氣流槽聚紡紗原理

氣流槽聚紡紗裝置簡圖如圖1所示。

圖1 氣流槽聚型集聚裝置簡圖

氣流槽聚紡紗的原理是：在前羅拉前加裝側入式氣流槽聚羅拉，在槽聚羅拉上開有凹槽(見圖2)，凹槽底部開有吸風孔，內部與吸風負壓連接。纖維須條從前羅拉鉗口輸出后，由吸風負壓形成氣流場，同時在氣流流動和凹槽形狀的引導下進入側入式集聚凹槽，通過凹槽的形狀和吸風負壓對須條進行共同集聚，集聚完成后在集聚羅拉內輸出加捻，笛管的作用主要是吸附斷裂的纖維以及伸出紗體的浮游纖維。

圖2 側入式氣流槽聚羅拉正視圖

圖3為2種不同凹槽形狀的集聚裝置示意圖。圖3(a)為集聚羅拉凹槽傾角結構示意圖，其中，以側向入槽式氣流槽聚羅拉中心軸水平方向為基準點，α為側向入槽式氣流槽聚羅拉的左側凹槽與側向入槽式氣流槽聚羅拉中心軸水平方向的夾角，β為側向入槽式氣流槽聚羅拉的右側凹槽與側向入槽式氣流槽聚羅拉中心軸水平方向的夾角。本文主要研究的凹槽分別為圖3(b)對稱凹槽(傾角α為15°，β為15°)和圖3(c)非對稱凹槽(傾角α為15°，β為75°)。

圖3 不同凹槽形狀的集聚裝置示意圖

1.2 流體動力學模擬

1.2.1 流體模型假設

在本文模擬中，由于集聚區氣流速度較小，且氣流場中溫度分布恒定，基本不發生能量交換，因此將集聚區的流體視為具有湍流特征的不可壓縮流體，在紡紗過程中集聚區流場計算采用質量守恒和動量守恒控制方程，分別如下所示：

div(ρu)=0

式中:ρ為密度，kg/m3;u為氣體的速度矢量；t為時間，s;ui(i=1,2,3)為速度矢量在坐標分量xi方向的分量，m/s;μ為動力黏度，Pa;p為流體上的壓力，N;si為xi方向的廣義源項。

引入理想氣體方程使上述方程封閉：

p=ρRT

式中：T為氣體熱力學溫度，K;R為摩爾氣體常數，J/(mol·K)。

本文采用Realizablek-ε模型[11-12]，湍動能k(m2/s2)和湍流耗散率ε(%)分別對應的方程為:

1.2.2 網格劃分和邊界設定

采用Anasys14.0建立氣流槽聚紡紗集聚區域流體動力學模型，如圖4所示。集聚區域由18個小孔處于工作狀態，以集聚羅拉中心點為原點，X軸指向集聚羅拉吸風口；Y軸與纖維運動方向一致；Z軸為集聚小孔中心垂直纖維運動方向。設面1～7為壓力進口，面集聚負壓、笛管負壓為壓力出口，其余設置為壁面，壁面采用無滑移邊界條件[18]。其中負壓大小為3 400 Pa。

圖4 集聚區域流體動力學模型

本文采用Anasys14.0的網格劃分(mesh)模塊對網格進行劃分。采用網格單元為四面體/混合(Tet/Hybrid)，對集聚區凹槽小孔選擇網格尺寸為0.1 mm，其它區域網格尺寸選擇1 mm，最終劃分的網格數對稱凹槽集聚裝置為1 249 646個，非對稱凹槽集聚裝置為1 431 299個，網格劃分如圖5所示。

圖5 網格劃分示意圖

1.2.3 求解參數設置

近壁面處理采用標準壁面函數法，求解控制方程選耦合半隱式求解器，離散格式為二階迎風離散，采用并行計算，收斂精度為10-4。

2 結果與分析

2.1 集聚區流場負壓分析

集聚區域的集聚效果取決于集聚區域的負壓大小以及集聚方向(Z軸)的速度大小，因此取集聚凹槽的集聚負壓以及集聚速度進行分析。根據上述模型以及參數設置運算得出的結果，不同凹槽形狀槽聚羅拉的XY平面負壓隨著小孔排列方式發生波動，為不連續狀態，其中小孔底部的負壓最大，非對稱凹槽的負壓最大值為-3 382 Pa，對稱凹槽的負壓最大值為-3 217 Pa，吸風小孔底部負壓大，有利于在凹槽底部對須條的握持，使得紗線順利沿著凹槽底部往前運動。由于集聚凹槽還具有阻止捻度向上傳遞的作用，因此凹槽底部較大的負壓可避免紗線捻度突破集聚裝置往前羅拉鉗口傳遞，導致集聚失效。

2.2 集聚區速度分析

取順時針方向第8個小孔分析其ZY平面的速度分布情況。在理想狀態下，集聚區工作吸風孔中的速度分布情況相同，因此，取集聚區某一工作吸風孔的ZY平面進行速度分析。分別提取ZY平面中X軸向(須條厚度方向)速度和Z軸向(須條集聚方向)速度進行比較，結果如圖6、7所示。

圖6 ZY平面X軸向速度對比

圖7 ZY平面Z軸向速度對比

從X軸向速度來看：采用非對稱凹槽裝置時集聚區速度峰值大，取值為48.3 m/s；在吸風孔中速度具有波動性大的特點，且在凹槽底部兩側的大小并不相同，因此須條在纖維底部的集聚并不是對稱的，有可能發生偏轉。從Z軸向速度來看：非對稱凹槽的集聚區Z軸向速度在凹槽兩側不對稱，其速度峰值為24.5 m/s；對稱凹槽的集聚區Z軸向速度在凹槽兩側為對稱分布，速度峰值為16.3 m/s；非對稱凹槽的集聚區Z軸向速度的最大值大于對稱凹槽的速度最大值。非對稱凹槽裝置的集聚區X軸向速度峰值也大于對稱凹槽裝置，說明非對稱凹槽對于集聚方向的氣流利用率更高，較大的集聚方向氣流有利于須條進行快速集聚，因此非對稱凹槽的集聚效果比對稱凹槽好。

3 實驗數據及分析

圖8示出在FB502細紗機上加裝2種集聚裝置進行的紡紗實驗照片。

圖8 紡紗試紡

采用非對稱凹槽、對稱凹槽和環錠紡紗系繞紡制線密度為27.78 tex的苧麻紗線，吸氣負壓為3 400 Pa。纖維原料選擇定量為4.70 g/(10 m)的苧麻粗紗。紡紗環境條件：相對濕度為67%，溫度為25 ℃。

采用陜西長嶺紡織機電科技有限公司的YG171L型紗線毛羽測試儀，根據FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數法》測定紗線毛羽；采用常州市第一紡織設備有限公司的YG029A型全自動電子單紗強力儀，根據GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》測定紗線強力；采用Uster公司的UT4型條干不勻儀測試紗線條干不勻。

3種不同紡紗方式的成紗性能測試結果如表1所示。可以看出，采用不同凹槽形狀集聚紡裝置紡制的紗線其3 mm以上毛羽數相較于環錠紡紗都大幅度減少，其中毛羽減少量最多的是非對稱凹槽集聚紗，為77.58%，對稱凹槽集聚紗的毛羽減少量為74.18%。非對稱凹槽集聚紗和對稱凹槽集聚紗的斷裂強力相較于環錠紡分別提高了14.32%和10.27%。毛羽外觀如圖9所示。

表1 成紗性能測試結果

圖9 不同成紗系統紗線毛羽外觀

從圖9可以看出，環錠紗的成紗毛羽最多，其次是對稱凹槽裝置紡紗，非對稱凹槽裝置紡紗毛羽最少。從條干來看，2種集聚紡紗裝置的條干CV值等相比于環錠紡并沒有顯著提高。該測試結果與前述理論結果相符。非對稱凹槽氣流槽聚裝置能夠有效利用集聚氣流，在較高集聚氣流作用下，纖維須條的集聚效果更好，成紗強力更高，成紗毛羽大幅度減少，但對成紗條干影響不大。

4 結 論

本文利用Anasys14.0軟件對不同凹槽形狀的集聚裝置負壓流場以及速度進行了模擬與分析，得出以下結論。

1)在相同負壓條件下，不同的凹槽形狀會影響負壓的傳遞效果，其中在本文的非對稱、對稱2種不同凹槽形狀集聚裝置中，非對稱凹槽裝置的集聚區集聚方向速度最大，可以更大程度地對纖維進行集聚，減少成紗毛羽，提高成紗強力。

2)不同氣流槽聚紡紗成紗毛羽都比環錠紗大幅度減少，并且非對稱凹槽裝置最終成紗中，3 mm以上毛羽減少最多，強力增加，提高了成紗性能。

3)對于非對稱集聚裝置凹槽形狀的氣流槽聚紡紗，還需在理論上和實驗中進一步完善，以期為今后的苧麻紡紗裝置產業化奠定基礎。