網(wǎng)眼羅拉緊密紡集聚區(qū)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

梅 恒，徐伯俊，蘇旭中，徐 紅，徐耀林

(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.新疆大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 710049;3.江蘇雙山集團(tuán)股份有限公司，江蘇 射陽(yáng) 224300)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent在紡織領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。氣流集聚型緊密紡可分為網(wǎng)格圈型、網(wǎng)眼羅拉型以及多孔膠圈型。汪燕等［1－3］研究了網(wǎng)格圈緊密紡系統(tǒng)集聚區(qū)流場(chǎng)的流動(dòng)情況，對(duì)吸氣斜槽入口曲面上不同位置的速度及靜壓分布進(jìn)行表征;鄒專勇等［4－5］討論了鉆孔皮圈緊密紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)域的流場(chǎng)流動(dòng)情況及其對(duì)集聚效果的影響;高金霞等［6－7］研究了網(wǎng)眼羅拉型集聚紡系統(tǒng)中纖維須條在流場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲得了纖維在集聚區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡。到目前為止，對(duì)網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)集聚區(qū)氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還缺少深入的研究和探討。本文選取網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真與分析，以便更深入地了解網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)的集聚機(jī)制，為后續(xù)的各項(xiàng)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)更加高效節(jié)能的網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)提供理論參考。

1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)簡(jiǎn)介

網(wǎng)眼羅拉緊密紡結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)眼羅拉緊密紡裝置是以三羅拉環(huán)錠紡為基礎(chǔ)，將原來(lái)的前下羅拉替換成表面有圓形通槽的網(wǎng)眼大集聚羅拉，在集聚羅拉內(nèi)部位置固定有吸風(fēng)插件，負(fù)壓穿過(guò)圓形通槽對(duì)集聚羅拉上的須條施加作用力，縮小須條寬度，完善須條結(jié)構(gòu)，從而改善紗線質(zhì)量［8］。

圖1 網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)Fig.1 Compact spinning system with perforated rollers

1.2 物理模型的建立

圖2 網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)物理模型Fig.2 Condensing zone physical model of compact spinning with perforated rollers

網(wǎng)眼羅拉緊密紡系統(tǒng)物理模型如圖2所示。網(wǎng)眼羅拉外徑為59 mm，內(nèi)徑為53 mm，膠輥半徑為15 mm，圓孔直徑為0.8 mm，分布密度為80孔/cm2。物理模型中忽略了須條的存在，對(duì)氣流導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，設(shè)定須條的輸出方向?yàn)閄軸正方向，須條聚集方向?yàn)閅軸方向，須條厚度方向?yàn)閆軸方向。

設(shè)定吸風(fēng)槽底面為模型的壓力出口邊界，負(fù)壓為－2500Pa;面1、面2、面3、面4、面5 為模型的壓力入口邊界，壓力值為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;其余面設(shè)為無(wú)滑移壁面。

2 軟件參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)眼羅拉物理模型的網(wǎng)格劃分采取TGrid方法，生成三維非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為1 mm，共生成1453995個(gè)網(wǎng)格單元。

由于集聚區(qū)域內(nèi)氣流流動(dòng)速度較低，故將氣流流動(dòng)計(jì)算界定為三維定常不可壓縮湍流流動(dòng)，因此，選擇三維單精度分離求解器做定常計(jì)算，設(shè)定計(jì)算環(huán)境為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，不考慮重力的影響，湍流采用壁面函數(shù)法。離散格式為一階迎風(fēng)方式，離散方程組采用求解壓力 速度耦合方程的半隱方法計(jì)算，擴(kuò)散項(xiàng)離散采用中心差分，逐行迭代［9－10］。

3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

3.1 集聚區(qū)域流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特征

X軸向?yàn)轫殫l的集聚方向，垂直于X軸向做一截面，提取 YZ截面上速度等高流線，如圖3所示。氣流在負(fù)壓作用下，穿過(guò)空心羅拉表面網(wǎng)眼，流入吸風(fēng)槽內(nèi)。網(wǎng)眼處的流速要比集聚羅拉表壁的高，而且由網(wǎng)眼內(nèi)壁向通槽中心有個(gè)流速遞變過(guò)程，在每個(gè)網(wǎng)眼中心區(qū)域的流速都要比靠近通槽壁面的流速要高。這是因?yàn)榭拷鼒A孔邊緣的氣流會(huì)受到壁面的黏滯力作用，能量有所耗散。圖4為纖維各部分受力示意圖?？梢钥吹?，纖維在前進(jìn)過(guò)程中，會(huì)跨越幾個(gè)網(wǎng)眼，纖維各處受力都不相同，隨著纖維的前進(jìn)，纖維各處的受力情況也會(huì)改變，纖維之間易于相互糾纏。流場(chǎng)作用范圍與吸風(fēng)槽長(zhǎng)度相匹配，作用范圍比吸風(fēng)槽長(zhǎng)度略長(zhǎng)，為了保證須條經(jīng)過(guò)前牽伸膠輥鉗口后能立即被吸風(fēng)槽端口的延伸氣流捕獲，并將這種氣流作用力一直持續(xù)到輸出鉗口，必須使吸風(fēng)槽延伸到2個(gè)鉗口附近。

圖3 YZ截面速度流線Fig.3 YZ section speed flow diagram

圖4 纖維各部分受力示意圖Fig.4 Fiber stress diagram

Y軸正方向?yàn)轫殫l輸出方向，垂直于Y軸作一截面，提取XZ平面上速度流線，如圖5所示。集聚羅拉外表面的氣流基本上平行于須條集聚方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)吸風(fēng)槽口位置時(shí)，再以一定的傾斜角度流入網(wǎng)眼內(nèi)。圖6為集聚過(guò)程纖維翻轉(zhuǎn)示意圖。由圖可知，須條外側(cè)的纖維受到水平推動(dòng)力向吸風(fēng)槽中心運(yùn)動(dòng)，到達(dá)吸風(fēng)槽位置時(shí)，氣流方向逐漸傾斜，纖維逐漸受到1個(gè)向下作用力，使得這個(gè)區(qū)域的纖維有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，外側(cè)纖維不斷向中心區(qū)域堆積，中心區(qū)域的纖維向下擠壓擴(kuò)散，不斷糾纏翻滾，須條形成凹陷包覆結(jié)構(gòu)。

圖5 XZ截面速度流線Fig.5 XZ section speed flow diagram

Z軸向?yàn)轫殫l的厚度方向，垂直于Z軸作一截面，提取XY平面上速度流線，如圖7所示。流場(chǎng)基本呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不僅吸風(fēng)槽左右兩端對(duì)稱，而且吸風(fēng)槽上下位置也存在對(duì)稱現(xiàn)象，理論上來(lái)說(shuō)吸風(fēng)槽中心位置也就是須條的中心位置。由于氣流導(dǎo)向裝置兩側(cè)完全封閉，氣流基本上從須條前進(jìn)方向的兩側(cè)以傾斜角度進(jìn)風(fēng)，這樣既給須條一個(gè)集聚方向的作用力，又能給一個(gè)前進(jìn)方向的作用力，須條在前進(jìn)方向上主要受2個(gè)力作用:一個(gè)是集聚羅拉表面的摩擦力，這個(gè)是須條前進(jìn)的主作用力;另一個(gè)是氣流的作用力，這個(gè)是輔助作用力。

圖6 集聚過(guò)程纖維翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.6 Fiber movement of concentration area

圖7 XY截面速度流線Fig.7 XY section speed flow diagram

3.2 不同高度區(qū)域流速分布規(guī)律及分析

距離空心羅拉外表面上沿著Z軸不同高度距離用h表示。本文選取 h=0.5、1.0、2.0mm處的各軸向流速值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8(a)示出不同高度區(qū)域的X軸向(須條集聚方向)速度分量分布。X軸向速度分量對(duì)須條的作用體現(xiàn)在對(duì)須條的橫向集聚，縮小須條寬度。在吸風(fēng)槽中心線兩側(cè)的速度方向相反，負(fù)值表明速度方向指向X軸負(fù)方向。氣流在向吸風(fēng)槽流入過(guò)程中，X軸向風(fēng)速逐漸遞減，到達(dá)吸風(fēng)槽中心位置時(shí)，風(fēng)速為零。須條橫向收縮時(shí)受到2個(gè)力:氣流的橫向作用力，這是推動(dòng)力;須條間及集聚羅拉外表面的摩擦力，這是阻力。須條在集聚過(guò)程中，所受橫向作用力有個(gè)遞變過(guò)程，外側(cè)的纖維受到橫向作用力比須條中心位置的須條受到橫向氣流作用力強(qiáng)。當(dāng)橫向作用力大于摩擦阻力時(shí)，纖維產(chǎn)生集聚;當(dāng)二者相等或者橫向作用力小于摩擦阻力時(shí)，纖維保持不動(dòng)，這也是理論上須條能縮小到的最小寬度。

圖8 不同高度集聚區(qū)速度分量分布Fig.8 Velocity vector distribution in convergence zone at different heights.(a)X axial velocity component;(b)Y axial velocity component;(c)Z axial velocity component

圖8(b)示出不同高度區(qū)域的 Y軸向(須條輸出方向)速度分量分布。Y軸向速度分量對(duì)須條的作用體現(xiàn)在輔助須條前進(jìn)，改變纖維狀態(tài)。Y向風(fēng)速波動(dòng)性較大，這是受網(wǎng)眼的影響，在每個(gè)網(wǎng)眼處，速度值由圓孔壁面向圓孔中心部分逐漸增大，并且吸風(fēng)槽口中心線處的流速值要大于其他位置流速值。距離空心羅拉外表面越遠(yuǎn)，氣流受網(wǎng)眼的影響越小，流速值波動(dòng)逐漸減小，同時(shí)流速值逐漸降低。在集聚過(guò)程中，同一截面內(nèi)的不同纖維受力各不相同，這樣有利于形成互相糾纏包覆結(jié)構(gòu)，須條的寬度在減小，其結(jié)構(gòu)也在不斷調(diào)整。

圖8(c)示出不同高度區(qū)域的Z軸向(須條厚度方向)速度分量分布。Z軸向速度分量對(duì)須條的作用體現(xiàn)在使須條緊貼在空心羅拉表面，防止須條逸散，在吸風(fēng)槽中心處的 Z軸向流速最大，這和圖5所示的 Y軸截面速度流線相對(duì)應(yīng):在吸風(fēng)槽中心處，基本上是平行于Z軸向的速度流線。這種速度分量分布能使須條在成型過(guò)程中，須條結(jié)構(gòu)能不斷調(diào)整，中心處的纖維受到最大作用力擠壓形成凹陷，旁邊位置的纖維向中心填補(bǔ)，這樣反反復(fù)復(fù)，纖維位置不斷變化，纖維互相糾纏包覆，直至到達(dá)輸出鉗口。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的數(shù)值仿真結(jié)果及分析，可以得出以下結(jié)論:

1)網(wǎng)眼處的流速要比集聚羅拉外壁的高，而且由網(wǎng)眼內(nèi)壁向通槽中心有個(gè)流速遞變過(guò)程，在每個(gè)網(wǎng)眼中心區(qū)域的流速都要比靠近通槽壁面的流速要高，這樣使得須條更容易糾纏包覆。

2)集聚羅拉外表面的氣流基本上平行于須條集聚方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)吸風(fēng)槽口位置時(shí)，再以一定的傾斜角度流入網(wǎng)眼內(nèi)，這有助于須條形成凹陷包覆結(jié)構(gòu)。

3)氣流在向吸風(fēng)槽流入過(guò)程中，X軸向風(fēng)速逐漸遞減，到達(dá)吸風(fēng)槽中心位置時(shí)，風(fēng)速為零。

4)在吸風(fēng)槽中心處的Z軸向流速最大，這樣須條在成型過(guò)程中，須條結(jié)構(gòu)能不斷調(diào)整，中心處的纖維受到最大作用力擠壓形成凹陷，旁邊位置的纖維向中心填補(bǔ)，這樣反反復(fù)復(fù)，纖維位置不斷變化，纖維互相糾纏包覆，直至到達(dá)輸出鉗口。

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