輸棉通道幾何參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)杯紡氣流場(chǎng)影響的數(shù)值研究

林惠婷，汪 軍，2，曾泳春，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

在轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)中，輸棉通道是連接著分梳輥和轉(zhuǎn)杯的重要部件。在紡紗過程中，纖維經(jīng)過分梳輥的開松分梳后，在轉(zhuǎn)杯負(fù)壓作用下，隨著氣流沿著輸棉通道轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)杯凝聚槽，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)杯紡紗的順利進(jìn)行。輸棉通道內(nèi)氣流場(chǎng)的流動(dòng)特征直接影響纖維的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，從而影響著轉(zhuǎn)杯紗的性能優(yōu)劣。Lawrence和 Chen 等［1－2］采用高速攝影儀捕捉了纖維在輸送過程中的纖維形態(tài)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，得出了最優(yōu)的輸棉通道設(shè)計(jì)方案。張禮會(huì)等［3］通過紡紗試驗(yàn)，并采用聚類分析方法，提出了最佳輸棉通道的設(shè)計(jì)原則和具體參數(shù)。錢曉明等［4－5］研究了輸棉通道的幾何形狀及輸棉通道與轉(zhuǎn)杯的空間位置對(duì)紡杯內(nèi)須叢中纖維伸直狀態(tài)的影響。

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法逐漸應(yīng)用于紡織加工領(lǐng)域中所涉及的流體流動(dòng)問題，如Kong等［6］對(duì)輸棉通道內(nèi)氣流場(chǎng)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，并分析了分梳輥轉(zhuǎn)速、雷諾數(shù)和輸棉通道進(jìn)口形狀等對(duì)氣流流動(dòng)特性的影響。在此基礎(chǔ)上，Kong等研究了輸棉管道進(jìn)口大小對(duì)纖維平行伸直度的影響［7］。Zeng等［8］模擬了噴氣紡第一噴嘴中的氣流流動(dòng)特征，并研究了其對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。武傳宇等［9］對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同滑移面角度對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場(chǎng)的影響。張奇等［10］建立了轉(zhuǎn)杯的二維模型，獲得了轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場(chǎng)的分布。

目前，輸棉通道幾何形狀及其空間位置對(duì)輸棉通道乃至轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場(chǎng)影響的研究未見報(bào)道，采用數(shù)值模擬的方法研究輸棉通道特征數(shù)及輸棉通道與轉(zhuǎn)杯空間夾角對(duì)轉(zhuǎn)杯和輸棉通道內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)特征的影響，為輸棉通道的合理設(shè)計(jì)以及紡紗器的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 輸棉通道和轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)

在轉(zhuǎn)杯紡紗中，轉(zhuǎn)杯內(nèi)的負(fù)壓是由抽氣管道將轉(zhuǎn)杯內(nèi)空氣抽走之后而形成的，輸棉通道和假捻盤口作為補(bǔ)氣口，向轉(zhuǎn)杯內(nèi)流入空氣。輸棉通道被設(shè)計(jì)成漏斗狀，夾裹著纖維的氣流從輸棉通道入口到出口不斷加速，可實(shí)現(xiàn)纖維有序流動(dòng)并提高纖維伸直度。

采用ET380型半自動(dòng)抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)作為模本建立轉(zhuǎn)杯和輸棉通道的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示，原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)杯中心位置，垂直轉(zhuǎn)杯底部為y軸正向，x軸與輸棉通道中心線成β角(見圖2)，轉(zhuǎn)杯直徑為36 mm，假捻盤補(bǔ)氣口直徑為3 mm，轉(zhuǎn)杯出口(即氣流出口)高度為1 mm，轉(zhuǎn)杯滑移面角度為75°。圖2中，S1和S2分別為輸棉通道入口和出口截面積，L為輸棉通道長(zhǎng)度，為40 mm，α為輸棉通道的中心線與水平面(即x-z平面)的空間夾角，β為輸棉通道中心線在水平面上的投影與x軸之間的空間夾角。

圖1 轉(zhuǎn)杯紡輸棉通道和轉(zhuǎn)杯的三維模型Fig.1 3-D model of transfer channel and rotor in rotor spinning machine

圖2 輸棉通道的幾何參數(shù)和空間位置角Fig.2 Geometric parameters and space angles of transfer channel

為便于研究輸棉通道漸縮程度對(duì)氣流場(chǎng)特性的影響，引入輸棉通道的特征數(shù)λ［5］，即:

λ值越大，表明輸棉通道的漸縮度越大。

本文中，保持轉(zhuǎn)杯形狀、轉(zhuǎn)杯負(fù)壓、轉(zhuǎn)速不變，重點(diǎn)考察λ、α、β等參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)及輸棉通道內(nèi)氣流場(chǎng)特性的影響，具體設(shè)計(jì)方案見表1所示。

1.2 系統(tǒng)描述

由于轉(zhuǎn)杯通道尺寸小，轉(zhuǎn)杯內(nèi)部負(fù)壓高，輸棉通道及轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流速度較高，因此氣流流動(dòng)為湍流流動(dòng)。為簡(jiǎn)化研究，不考慮熱交換，且假定轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣

表1 數(shù)值計(jì)算方案表Tab.1 Scheme of numerical computation

流為不可壓縮氣流，因此，模型為三維、不可壓縮、黏性、湍流模型。該模型滿足的控制方程(質(zhì)量守恒方程(2)和動(dòng)量守恒方程(3))如下:

式中:ρ為氣體密度，kg/m3;t為時(shí)間，s;u為氣流速度矢量，ui為氣流速度在xi方向的分量，m/s;Si為xi方向的廣義源項(xiàng)。流場(chǎng)采用瞬態(tài)、隱式求解器、RNG k-epsilon湍流模型及壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式離散，用SIMPLE算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解。

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

網(wǎng)格劃分:將輸棉通道和轉(zhuǎn)杯作為一個(gè)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用混合網(wǎng)格(四面體和六面體網(wǎng)格)，網(wǎng)格分點(diǎn)間隔長(zhǎng)度為0.75 mm。

進(jìn)口邊界:氣流進(jìn)口有兩個(gè)，一是輸棉通道入口，一是假捻盤入口。本文不考慮分梳輥的影響，故假定輸棉通道入口與大氣相連接，因此，氣流進(jìn)口均設(shè)為壓力入口，壓力大小為環(huán)境大氣壓。

出口邊界:由于抽氣式轉(zhuǎn)杯內(nèi)的負(fù)壓是依靠轉(zhuǎn)杯頂口和罩蓋之間的外界抽氣形成的，故將轉(zhuǎn)杯頂口與罩蓋間的間隙設(shè)為壓力出口，靜壓為 －8 000 Pa。

固體邊界:假設(shè)遵循無滑移邊界條件，ux=uy=uz=0，本文不考慮轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為0。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流流動(dòng)特征

以工況6為例，對(duì)轉(zhuǎn)杯和梳棉通道內(nèi)氣流流動(dòng)特征進(jìn)行分析，數(shù)值模擬結(jié)果見圖3～5。圖3為氣流速度矢量圖，圖4示出輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)的粒子軌跡。受轉(zhuǎn)杯內(nèi)負(fù)壓的作用，氣流從輸棉通道入口不斷加速，到達(dá)出口(即轉(zhuǎn)杯內(nèi)部)時(shí)，速度增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。纖維在加速氣流帶動(dòng)下，也不斷加速，此過程有利于后彎鉤纖維的平行伸直［5］。氣流在輸棉通道出口處速度達(dá)到最大值，到達(dá)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部，氣流受轉(zhuǎn)杯壁面阻力和出口負(fù)壓作用，分成兩股大小不一的氣流，分別繞轉(zhuǎn)杯順時(shí)針和逆時(shí)針向上運(yùn)動(dòng)，繞過轉(zhuǎn)杯180°后，兩股氣流相遇并形成漩渦。而逆時(shí)針流動(dòng)的那股氣流受到從假捻盤補(bǔ)氣口流進(jìn)的補(bǔ)氣流的干擾作用，也在轉(zhuǎn)杯內(nèi)部形成漩渦，這在圖4的粒子跡線中得到證實(shí)。

圖3 輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流速度矢量圖Fig.3 Velocity vectors of transfer channel and rotor

圖4 輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)的粒子跡線Fig.4 Path lines colored by particle ID at transfer channel and rotor interior

圖5為輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的靜壓分布云圖。輸棉通道入口處的負(fù)壓最小，沿著通道負(fù)壓不斷增大，有利于單纖維從分梳輥向轉(zhuǎn)杯內(nèi)轉(zhuǎn)移。在靠近輸棉通道出口處，轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣壓接近輸棉通道出口壓力，而在轉(zhuǎn)杯其他地方，負(fù)壓相對(duì)較高，并在假捻盤口達(dá)到最大，這易使已經(jīng)加捻了的纖維條子向假捻盤出口處運(yùn)動(dòng)，利于紗條的順利卷繞。

圖5 輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)靜壓分布云圖Fig.5 Contours of static pressure in transfer channel and rotor

2.2 特征數(shù)λ對(duì)氣流流動(dòng)特征的影響

圖6示出了不同特征數(shù)λ下，轉(zhuǎn)杯內(nèi)部和輸棉通道的壓力分布云圖，圖7示出沿著輸棉通道軸向的靜壓分布曲線。從圖6～7可看出，λ為0.05時(shí)，靜壓從輸棉通道入口到出口呈現(xiàn)平緩降低的趨勢(shì)，且入口負(fù)壓很大，達(dá)到－1 000 Pa。而λ為0.10時(shí)，靜壓在輸棉通道入口先是穩(wěn)定在－250 Pa左右，到達(dá)輸棉通道中部，靜壓開始急劇下降，直到接近出口氣壓。增大λ，輸棉通道入口靜壓增大，且輸棉通道中后部靜壓下降越急劇。值得注意的是，λ不同，輸棉通道出口氣壓卻都與抽氣壓(－8 000 Pa)相接近。轉(zhuǎn)杯內(nèi)部靜壓分布也隨λ不同而有差異，λ越大，輸棉通道出口處轉(zhuǎn)杯滑移面和凝聚槽處的靜壓越大。

圖8示出沿著輸棉通道軸向的通道速度分布曲線。輸棉通道內(nèi)部氣流速度從入口到出口逐漸增大，與靜壓分布曲線類似的是，λ越小，速度一直緩慢增長(zhǎng)，而λ越大，速度則先緩慢增長(zhǎng)，后又急劇增大。輸棉通道前后速度差異越大，越有利于伸直后彎纖維，因此，λ越大，越有利于改善纖維的伸直狀態(tài)，提高成紗質(zhì)量，這與錢曉明等的實(shí)驗(yàn)研究相一致［5］。

圖6 不同特征值λ時(shí)轉(zhuǎn)杯和輸棉通道內(nèi)壁靜壓分布云圖Fig.6 Static pressure distribution at wall of computational zone with different λ values

2.3 空間位置角對(duì)氣流流動(dòng)特征的影響

輸棉通道與轉(zhuǎn)杯的空間位置關(guān)系是影響纖維從輸棉通道向轉(zhuǎn)杯滑移面轉(zhuǎn)移的重要因素。因此，本文對(duì)不同輸棉通道空間位置角α和β下，輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流流動(dòng)進(jìn)行模擬分析。

2.3.1 空間位置角α對(duì)氣流流動(dòng)特征的影響

圖7 不同特征數(shù)λ時(shí)靜壓沿著輸棉通道軸向分布Fig.7 Static pressure distributions of different λ values along the transfer channel axis

圖8 不同特征數(shù)λ時(shí)速度沿著輸棉通道軸向分布Fig.8 Velocity distributions of different λ values along transfer channel axis

工況1、4和5討論了輸棉通道空間位置角α對(duì)輸棉通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流流動(dòng)特征的影響。α對(duì)輸棉通道內(nèi)部氣流流動(dòng)影響顯著。如圖9、10示出了不同α?xí)r，沿著輸棉通道軸向的靜壓和速度分布情況。在距離輸棉通道入口長(zhǎng)度小于27 mm時(shí)，靜壓隨著α增大而增大，速度則隨著α增大而減小。當(dāng)距離輸棉通道入口長(zhǎng)度超過27 mm時(shí)，靜壓隨著α增大而減小，速度則隨著α增大而增大。輸棉通道內(nèi)靜壓和速度先是平緩變化，到達(dá)輸棉通道中后部，靜壓和速度則急劇變化，α越大，該趨勢(shì)越明顯。增大α使得輸棉通道內(nèi)部速度差異較大，有利于纖維平行伸直度的提高。

圖11、12示出了不同 α?xí)r，轉(zhuǎn)杯內(nèi) x-y截面(z=－4 mm處)的靜壓分布和速度分布。

圖9 不同空間位置角α?xí)r靜壓沿著輸棉通道軸向分布Fig.9 Static pressure distributions of different α values along transfer channel axis

圖10 不同空間位置角α?xí)r速度沿著輸棉通道軸向分布Fig.10 Velocity distributions of different α values along transfer channel axis

圖11 不同空間位置角時(shí)z=4 mm平面處轉(zhuǎn)杯內(nèi)壓力分布Fig.11 Pressure distributions of different α values at z=－4 mm in rotor

由圖11可知，α越大，轉(zhuǎn)杯滑移面(靠近轉(zhuǎn)杯底部區(qū)域)的負(fù)壓越高，有利于吸附纖維，便于纖維向轉(zhuǎn)杯滑移面轉(zhuǎn)移。圖12中，輸棉通道出口處氣流速度最大，且流速沿著與轉(zhuǎn)杯底部呈α角的方向逐漸減小，在靠近轉(zhuǎn)杯出口處，出現(xiàn)低流速區(qū)，隨著α的增大，該區(qū)域向轉(zhuǎn)杯底部擴(kuò)大，當(dāng)纖維從輸棉通道向轉(zhuǎn)杯滑移面轉(zhuǎn)移時(shí)，可避免纖維向上運(yùn)動(dòng)而造成纖維彎曲。但是α過大，纖維從輸棉通道向轉(zhuǎn)杯內(nèi)轉(zhuǎn)移時(shí)，易使纖維垂直碰撞轉(zhuǎn)杯底部，可能會(huì)產(chǎn)生新的彎鉤纖維，因此，α要適當(dāng)偏大設(shè)計(jì)，但不宜過大。

圖12 不同空間位置角時(shí)z=4 mm平面處轉(zhuǎn)杯內(nèi)速度分布Fig.12 Velocity distributions of different α values at z=－4 mm in rotor

2.3.2 空間位置角β對(duì)氣流流動(dòng)特征的影響

工況1、6和7是對(duì)不同輸棉通道空間位置角β對(duì)氣流流動(dòng)特征的影響分析(見圖13、14)。圖中表明，不同的β，梳棉通道內(nèi)部靜壓分布以及速度分布基本一致，即β的大小對(duì)輸棉通道內(nèi)靜壓分布和速度分布影響較小。

圖15示出靠近輸棉通道出口處轉(zhuǎn)杯內(nèi)不同橫截面處的速度分布。由圖可知，β的大小對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流分布有一定的影響，β不同，使得輸棉通道出口朝向不同，導(dǎo)致氣流和纖維向轉(zhuǎn)杯內(nèi)轉(zhuǎn)移時(shí)，與轉(zhuǎn)杯滑移面不在同一個(gè)位置發(fā)生接觸。β增大時(shí)，輸棉通道出口方向向z=0(x-y平面)處傾斜，使得轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流最大值向z=0處偏移(如圖15所示)，而對(duì)遠(yuǎn)離輸棉通道出口的轉(zhuǎn)杯其他部位影響較弱。因此，β不同，主要改變纖維與轉(zhuǎn)杯的初始接觸位置，β為0°時(shí)，纖維與轉(zhuǎn)杯滑移面垂直接觸碰撞，易導(dǎo)致不規(guī)則纖維的產(chǎn)生，β增大，則有利于改善纖維的伸直狀態(tài)［3］。

圖13 不同空間位置角時(shí)靜壓沿著輸棉通道軸向分布Fig.13 Static pressure distributions of different β values along transfer channel axis

圖14 不同空間位置角時(shí)速度沿著輸棉通道軸向分布Fig.14 Velocity distributions of different β values along transfer channel axis

圖15 轉(zhuǎn)杯不同位置橫截面x=－7 mm處速度分布(y為橫截面與轉(zhuǎn)杯底部的垂直距離)Fig.15 Velocity distributions in x= －7 mm at different cross sections of rotor(y represents vertical distance from cross section to rotor bottom)

3 結(jié)論

本文采用RNG k-epsilon湍流模型對(duì)輸棉通道和轉(zhuǎn)杯紡氣流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)輸棉通道特征數(shù)、空間位置角α和β對(duì)流場(chǎng)和纖維狀態(tài)的影響做了相應(yīng)的討論，主要結(jié)論如下。

1)輸棉通道入口到出口的氣流不斷加速，并在出口處達(dá)到最大值。氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)杯后，分成兩股沿著通道出口左右兩側(cè)流動(dòng)，繞著轉(zhuǎn)杯流動(dòng)180°后，匯聚并形成氣流漩渦。假捻盤補(bǔ)氣口氣流從轉(zhuǎn)杯底部向上運(yùn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流相互干擾，在轉(zhuǎn)杯內(nèi)部形成漩渦。

2)輸棉通道特征數(shù)增大，輸棉通道負(fù)壓和流速都減小，但是負(fù)壓和流速的變化率增大。

3)輸棉通道空間位置角α增大，靜壓增大，速度減小。在輸棉通道前部，靜壓和速度變化緩慢，在輸棉通道中后部，靜壓和速度變化急劇，增大α，該變化趨勢(shì)更加明顯，即輸棉通道速度差增大，有利于纖維平行伸直度的提高。轉(zhuǎn)杯滑移面附近低速區(qū)隨著α增大而擴(kuò)大，可有效阻止纖維向上運(yùn)動(dòng)而造成的纖維彎曲。

4)不同輸棉通道空間位置角β對(duì)輸棉通道氣流壓力分布和速度分布影響較小，但是β越大，輸棉通道出口氣流流向(纖維流向)與轉(zhuǎn)杯滑移面切線夾角越小，越有利于減少不規(guī)則纖維產(chǎn)生。

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