新型氣流牽伸通道結構模型的構建與性能分析

王 青, 梁高翔, 殷俊清, 盛曉超, 呂緒山, 黨 帥

(西安工程大學 機電工程學院, 陜西 西安 710048)

在紡紗過程中,需要對棉條進行多次牽伸,以將其并合、抽長、拉細,得到一定細度的紗線。目前對棉條的牽伸作用主要通過羅拉牽伸機構實現,如并條機、粗紗機和細紗機上均配備有羅拉牽伸機構,而一些新型紡紗技術如噴氣渦流紡,前期也需要通過羅拉牽伸機構將棉條抽長拉細后,再進行加捻。

羅拉牽伸依靠前后羅拉的速度差實現牽伸過程,且前后羅拉速度比即為理論牽伸倍數。由于傳動系統減速比的限制,前后羅拉速度比一般不會很大,限制了牽伸機構牽伸比的進一步增大。此外,羅拉牽伸過程中,始終有部分纖維處于浮游狀態,且纖維間的摩擦特性是動態變化的,因此,纖維所受牽伸力大小也在不斷變化,很難實現纖維的均勻排列和對棉條的均勻牽伸。為改善沿棉條長度方向上的纖維排列分布并提高成紗質量,需要保證牽伸過程中牽伸力的穩定變化。為此,不少學者開展了相關的研究工作。Ren等[1]提出并設計了紡紗機后區牽伸力檢測方法和設備,利用該方法能夠有效在線檢測紡紗機后區牽伸力,為牽伸力的在線檢測和合理選擇牽伸工藝參數提供了新的途徑。文獻[2-4]研究了不同牽伸比條件下牽伸羅拉影響范圍內的牽伸力大小及其變化,并分析其對棉條均勻度的影響。劉璐等[5]研究了在超大牽伸比條件下,不同因素對牽伸力和牽伸不勻率大小的影響。Chattopadhyay等[6]研究了牽伸力使纖維產生斷裂的可能原因,并分析了其對牽伸過程產生的影響。焉瑞安等[7]基于AFIS測試儀測試了成紗牽伸過程中的纖維長度受損情況。

以上研究對纖維在羅拉牽伸方式中的受力及其對成紗質量的影響做了研究,但由于羅拉自身回轉件結構及轉速的限制,羅拉牽伸機構的牽伸比和牽伸效果很難繼續提高,亟需尋求新的牽伸方法及對應的牽伸機構。鑒于此,本文研究了一種新型基于氣流的棉條牽伸方法,并通過數值模擬仿真驗證該方法的可行性。

1 氣流牽伸方法的提出

氣流存在黏性,會對與其相接觸的物體產生摩擦力。如噴氣織機利用氣流對緯紗產生的摩擦牽引力帶動緯紗飛越梭口,實現氣流引緯;噴氣紡紗、噴氣渦流紡紗都利用旋轉氣流對纖維的摩擦力實現了加捻作用。不少學者對噴氣織機引緯、噴氣渦流紡氣流加捻原理開展了研究工作。錢怡[8]對噴氣織機緯紗入射流場進行了數值模擬和參數優化;Kim等[9]對引緯過程中輔助噴嘴噴射氣流特性進行了數值模擬;Wu等[10]分析了引緯起始階段的氣流特性和紗線運動規律;文獻[11-12]分別研究了引緯過程中緯紗、纖維束的運動情況。鄒專勇等[13]分析了不同結構參數下旋轉氣流對紗線加捻特性的影響;鄭凌晨[14]研究了噴氣渦流紡流場特性,且探索研究了纖維建模方法;陳洪立等[15]研究了導引針和導引部件對噴氣渦流紡流場的影響情況;尚珊珊等[16]通過數值模擬分析了噴氣渦流紡流場中的旋轉氣流,以及紗線運動規律;陳美玉等[17]研究了纏繞和加捻對噴氣渦流紡紗力學性能的影響 。以上研究均直接或間接表明,氣流可以實現對纖維(束)或紗線的運動控制。

此外,根據拉瓦爾噴管(見圖1)原理:當氣流為亞音速,氣流在管道中運動時,截面小處流速大,截面大處流速小,即氣流流經收縮段時會不斷加速。

A1為噴管入口截面積;Akr為噴管喉部截面積;A2為噴管出口截面積;ωkr為噴管喉部流速。

綜合氣流上述2個方面的特點,當亞音速氣流和纖維同時在收縮型管道中流動時,可以推斷出:1)由于氣流對纖維的摩擦牽引力,會帶動纖維一起向前運動;2)隨著管道截面的收縮,氣流速度不斷增大,纖維速度也不斷增加;3)考慮到氣流和壁面之間的黏性效應,在同一截面不同位置處,氣流速度并不相同,則對纖維的摩擦牽引力大小也不相同,帶動纖維運動的速度也不相同。綜合這3個方面的特點,纖維在管道中不同位置處運動速度各不相同,從而實現纖維的重新分布。同時考慮單位時間內輸入管道中的纖維質量和單位時間內輸出纖維的質量應該相等,而輸出端纖維速度大幅增加,因此,輸出端纖維變細,即實現了牽伸效果。

綜上分析,本文提出一種在收縮型管道內通過氣流對棉條進行牽伸的方法,即氣流牽伸方法。該方法在文獻[18]中有提及,但只進行了簡單的流場分析,沒有考慮纖維在流場中的具體運動,以及多根纖維之間的相對運動過程,不能充分證明其方法的可行性。本文根據牽伸比的要求,重新推導氣流牽伸通道的結構、尺寸等參數,并充分考慮纖維和流場之間的雙向耦合影響,論證該方法的可行性,為氣流牽伸方法的工程化應用提供一定的理論參考。

2 氣流牽伸通道建模

考慮噴氣渦流紡的氣流紡紗特點,本文假設從氣流牽伸通道出來的棉條直接進入噴氣渦流紡紗機的加捻通道。下文中的氣流牽伸通道參數分析計算均以此假設為前提。

2.1 牽伸通道結構和工藝參數分析

根據上述假設,牽伸通道的出口速度應與噴氣渦流紡加捻腔的引紗速度相匹配。噴氣渦流紡的引紗速度一般達400～450 m/s,因此,牽伸通道出口氣流速度取Vout為420 m/s。同時,參考粗紗和細紗工藝的總牽伸倍數,取氣流牽伸通道的牽伸倍數為140。

牽伸倍數一般為牽伸前后棉條的細度之比,此處假設棉條中的纖維均勻填充牽伸通道,則輸入端和輸出端棉條細度之比近似為牽伸通道入口截面積和出口截面積之比。牽伸通道出口尺寸大小參考噴氣渦流紡紗機加捻部分的空心錠子入口結構尺寸,設為1 mm,則可根據牽伸倍數計算得到牽伸通道入口直徑約為12 mm。進而,根據質量守恒定理(即式(1)),計算得到通道入口氣流速度Vin為3 m/s,通道長度設為50 mm[18]。通道入口處壓強設為大氣壓,大小為101 325 Pa,根據噴氣渦流紡噴嘴內流場仿真,得到牽伸通道出口處壓力值為-0.01 MPa。

Qin=Qout=vs

(1)

式中:Qin為單位時間流入通道的氣體量,m3/s;Qout為單位時間流出通道的氣體量,m3/s;v為氣流速度,m/s;s為通道截面積,m2。

2.2 纖維在氣流中的受力分析

纖維在氣流中運動時,會在平行于氣流運動的表面上產生黏滯力,即相當于纖維在羅拉牽伸方式中所受到的摩擦力,如圖2示出。黏滯力Fs的大小和流體的密度、溫度、速度等參數有關,其大小可按下式計算:

圖2 平行伸直纖維在氣流中的受力

Fs=-6πηrv

(2)

式中:η為空氣黏性系數,值為1.983×10-5Pa/s;r為纖維半徑,m。

帶動纖維在牽伸通道中運動的力除作用在其表面的黏滯力Fs外,還有一部分是作用在纖維頭端的動壓力Fd,假設纖維頭端為平面,則動壓力Fd的大小為

(3)

式中:ρ為氣流密度,kg/m3;S為纖維頭端平面面積,m2。

綜上分析,纖維在氣流中受到的總力F為

(4)

2.3 牽伸通道參數設計

已知牽伸通道出入口直徑和通道長度,根據式(1)和式(4)可以確定纖維在牽伸通道內受到的總力F與通道截面積s,進而得到與通道半徑之間的關系。將該關系式與羅拉牽伸方式中的理想摩擦力界曲線擬合得到通道長度和通道半徑之間的關系,如圖3示出。圖3中橫坐標起點為牽伸通道入口截面中心。根據圖3的關系曲線,即可得到氣流牽伸通道的結構模型,如圖4所示。

圖3 通道半徑與長度關系曲線

圖4 牽伸通道模型示意圖

2.4 牽伸通道模型流場特性分析

為驗證上述牽伸通道模型設計的合理性,使用Fluent軟件對牽伸通道內流場進行數值模擬,且暫不考慮纖維的影響。選取Realizablek-ε湍流求解模型,設置參考壓強為0 Pa。氣流入口和出口分別設置為壓力入口和壓力出口邊界條件,其值大小參見2.1節,數值模擬得到流場參數曲線如圖5～7所示。

圖5 通道中心線速度分布圖

由圖5牽伸通道中心線附近的速度分布曲線可見,隨著牽伸通道的不斷收縮,氣流速度持續增大,特別是靠近出口位置處氣流速度迅速增大。牽伸通道出口最大氣流速度約為426 m/s,根據牽伸通道入口速度3 m/s計算,牽伸比達142,滿足牽伸比140的要求。由圖6沿著牽伸通道中心線處的氣流靜壓分布曲線可見,隨著氣流速度的增大,氣流靜壓不斷減少。圖7為沿著牽伸通道的氣流速度等值線,反映了氣流在牽伸通道加速過程中的具體速度分布,其分布和理論分析相吻合。3個曲線圖均說明本文設計的牽伸通道理論上可以實現牽伸比為140的牽伸效果。

圖6 通道中心線壓力分布圖

圖7 速度等值線梯度圖

3 纖維-流場雙向耦合影響分析

前文數值模擬了氣流牽伸通道的流場特性,但沒有考慮纖維和流場的相互影響,因此,本節將分別考慮單根伸直纖維、2根平行伸直纖維,以及單根前彎鉤纖維在流場中的具體運動情況,進一步驗證本文所提方法的可行性。

3.1 纖維建模

纖維是長徑比大的細長彈性體,因此,采用二維柔性彈性纖維模型。圖8示出不同狀態下的纖維模型。在沒有外力的情況下,伸直纖維被描述為長徑比大的矩形。矩形的長度方向表示纖維的長度方向,寬度方向表示纖維的徑向。圖8(a)為無外力作用時的纖維模型和纖維離散化模型,對纖維進行四邊形網格劃分,每個小四邊形網格為一個子單元。纖維受外力作用而產生變形,在分析時假設力的作用點都在節點,如圖8(b)、(c)所示。

3.2 纖維與氣流的耦合控制

流固耦合數值方法有任意拉格朗日-歐拉法(ALE)、格子玻爾茲曼法(LBM)、浸入邊界法(IBM)和有限差分法(FDM)等。ALE方法中流體區域的節點可以根據固體邊界的變化產生相對位移,可用于解決纖維在流場內的運動和大變形問題,計算的結果更能反映實際情況,因此,采用ALE方法研究牽伸通道中氣流與纖維的耦合問題。氣流和纖維之間需在每個迭代步間傳遞力與位移數據,滿足動力學與運動學條件[19]:

(5)

式中:df和ds分別為纖維和氣流在接觸處的位移,mm;σf和σs分別為纖維和氣流在接觸處的應力,Pa;n為接觸處的法向量。

3.3 固體間接觸控制

纖維在流場內的運動形式比較復雜且自身變形較大,纖維與通道內壁、纖維和纖維之間會發生碰撞、摩擦等接觸行為,若不限制該接觸運動形式,纖維和壁面、纖維和纖維之間會發生相互侵入的現象,進而使得Fluent求解器在計算時會因出現負體積網格而導致計算發生錯誤。為解決觸碰問題,需要在纖維和壁面、纖維和纖維之間添加動力學限制條件。由于這2種碰撞問題本質上是一個問題,因此,接觸控制分析用固體A和固體B來指代2個物體。

當固體A與固體B間發生接觸時,二者間間隙距離為零。從接觸時刻起,固體A與固體B之間產生接觸力來防止固體間相互侵入。固體A與固體B間的間隙距離函數[20]可定義為

g(xA,t)=min‖xA-xB‖

(6)

式中:xA為固體A與固體B發生接觸的面上一點;xB為固體B與固體A發生接觸的面上一點。則有:

(7)

式中:yB為固體B與固體A發生接觸的面上距離xA最近的一點;nB為相應的固體B上外向單位法向量;tc為2個固體界面間的接觸力;λ為法向接觸力。

則上述接觸系統滿足的法向條件為:g≥0,λ≥0,gλ=0。表明當g≥0時,固體A與固體B間未觸碰,故λ=0;當g=0時,固體A與固體B間存在觸碰作用,λ為大于零的有限值。

此外,為簡化模型計算,暫不考慮纖維和壁面、纖維和纖維間的摩擦作用。

3.4 計算區域的建立及網格劃分

圖9為單根伸直纖維與流場耦合模型的計算區域示意圖。將纖維置于牽伸通道內流場中,其長度為15 mm,尾端距離通道入口處5 mm作為纖維的初始位置。

對流體域和纖維區域分別進行網格劃分。考慮到纖維在流場內的運動形式比較復雜,為方便網格更新,對流體域采用三角形網格進行網格劃分,并對纖維與氣流交界處區域進行網格加密,以提高網格質量,進而提高計算精確度。網格劃分和網格加密圖如圖10示出。

圖10 流固耦合模型網格劃分

3.5 材料屬性設置

纖維模型采用長絨棉,流體為理想空氣,其材料屬性如表1所示。纖維在牽伸過程中橫截面積和直徑的變化較小,因此,在計算中將纖維泊松比設置為0[21]。

表1 纖維與流體的材料屬性參數

3.6 求解方式及邊界條件設置

基于ANSYS Workbench軟件搭建流固耦合求解平臺,應用Fluent模塊對流體域進行求解,壓力入口和壓力出口邊界條件設置參見2.1節。采用Transient Structural模塊對纖維結構進行瞬態計算,根據表1所示設置纖維參數。使用System Coupling模塊實現流場和纖維計算數據間的交換。該數值模擬方法在文獻[19-20]中均被用到,且在文獻[20]中通過實驗證實了該方法的有效性。流固耦合仿真流程圖如圖11所示。

圖11 流固耦合仿真流程圖

4 纖維-流場雙向耦合影響結果分析

采用上述流固耦合求解平臺,分別實現單根伸直纖維、雙根伸直纖維和單根彎鉤纖維的流場耦合影響的二維模擬研究,結果如圖12～14所示。

圖12 單根直線型纖維模型運動規律

分析圖12可知:1)根據拉瓦爾噴管原理和質量守恒方程,氣流在牽伸通道內的速度不斷增大,纖維的運動速度隨氣流速度的增大而增大;2)受橫向氣流速度影響,纖維在通道內的運動存在一定的上下擺動和波動。纖維處于通道入口段時,氣流速度較小,橫向氣流速度分量也小,導致纖維波動較小,整體隨著氣流上下擺動式前進;當纖維運動至通道中后段時,氣流速度增大,橫向氣流速度也隨之增大,使得纖維波動幅度增大;3)氣流在牽伸通道中流動的速度梯度很大,因此,纖維頭端的氣流速度要高于纖維尾端,其結果是纖維伸直平行流出牽伸通道,即實現拉直纖維的目的。

分析圖13可知:1)2根伸直平行纖維在牽伸通道中運動時,纖維之間會相互靠攏并發生接觸和摩擦。受橫向氣流影響,纖維在向前運動過程中存在一定波動,但整體波動較小;2)從0.003 s左右起,纖維之間開始出現位移差,0.005 s后2根纖維頭端的距離偏移已較為明顯,且隨著時間的推移,纖維間位移差越來越大。較快的纖維運動到通道出口處時,2根纖維間的偏移已接近半根纖維的長度,且纖維分離情況良好,證明了氣流牽伸通道擁有較好的纖維變速點分布,能夠有效地提高成紗條干均勻度;3)2根纖維在流場中的運動規律可以推廣到多根纖維,最終結果是實現纖維的重新分布排列,達到牽伸的目的。

圖13 雙根直線型纖維模型運動規律

分析圖14可知:1)在流場中,彎鉤纖維的迎風面積更大,受氣流軸向分力的影響更為顯著,因此,與伸直纖維相比,彎鉤纖維在牽伸通道內的運動速度更快,運動總時長大幅減少;2)彎鉤纖維在牽伸通道向前運動過程中,由于氣流摩擦力的影響,彎鉤逐漸伸直平行;3)隨著彎鉤纖維逐漸伸直,其迎風面積逐漸減小,故纖維運動加速度變小,使得纖維在牽伸通道后半段加速性減慢;4)據此還可推斷,當彎鉤纖維和伸直纖維同時在牽伸通道中運動時,會因受到牽引力大小不同而相互前后錯開運動,即實現纖維的重新分布排列。

圖14 單根彎鉤型纖維模型運動規律

此外,分析圖12～14還可發現,3種情況下,纖維都出現貼著牽伸通道內壁面運動的現象,分析原因在于:1)由于附面層效應,貼近壁面的氣流速度會小于牽伸通道中心的速度,且距離牽伸通道中心越遠,氣流速度越低,因此,纖維在這種速度梯度影響下逐漸向壁面方向靠近;2)纖維在牽伸通道中一方面向前運動,同時向壁面方向靠近,而牽伸通道尺寸較小,使得纖維還未流出通道就已經接觸到壁面,出現緊貼著壁面運動的現象。

5 結 論

根據空氣黏性特點,同時參考噴氣織機和噴氣渦流紡紗特性,提出了一種基于氣流的棉條牽伸方法。建立了氣流牽伸通道結構模型,以及纖維與氣流的雙向耦合分析模型,通過分別模擬單根伸直纖維、雙根伸直纖維和單根彎鉤纖維在流場中的運動,驗證了所提方法的可行性,得出如下結論。

1)伸直平行纖維在牽伸通道中向前運動時會產生波動,但當其到達牽伸通道出口附近時,再次伸直平行流出牽伸通道,且纖維一直在加速運動。

2)當2根伸直纖維在牽伸通道中前進時,由于不同位置的氣流速度不同,使得2根纖維相互錯開前進,該現象說明多根纖維在牽伸通道中向前運動時,纖維會重新分布排列。

3)彎鉤纖維在牽伸通道中運動時,由于迎風面積大,氣流對其的牽引力大,因此,彎鉤纖維的運動速度相比于伸直平行纖維會更快,在牽伸通道中運行時間更短。據此可推斷,當彎鉤纖維和伸直纖維同時在牽伸通道中運動時,它們會因速度不同而前后錯開,即實現纖維的重新分布排列。

4)彎鉤纖維在運動過程中會由于氣流牽引力而逐漸伸直,即實現與羅拉牽伸類似的拉直纖維的目標。