劉 超, 楊瑞華， 薛 元， 高衛(wèi)東(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

凝聚槽類型對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場影響的數(shù)值模擬

劉 超, 楊瑞華， 薛 元， 高衛(wèi)東
(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

為探究G、T、U、S型凝聚槽對36 mm直徑轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的影響，在軟件Fluent中對三維流場進行數(shù)值計算分析。結(jié)果表明：在相同工藝條件下，凝聚槽在1周(0°～360°) 范圍內(nèi)，4種槽型的速度大小為G型>T型>U型>S型，在0°與360°位置處靜壓大小為G型>S型>U型>T型，其余各角度位置處靜壓大小為S型>U型>T型>G型。各槽型內(nèi)氣流靜壓和速度趨勢基本一致，以T型槽為例，輸棉通道內(nèi)的靜壓位于-32 886.15～18 224.56 Pa之間，轉(zhuǎn)杯內(nèi)的靜壓大部分處于-13 719.63～-7 330.80 Pa之間；輸棉通道內(nèi)的氣流隨著管道直徑的減小而加速運動，在出口處達到最大值261.81 m/s。

轉(zhuǎn)杯紡； 凝聚槽； 數(shù)值模擬； 氣流場； 速度； 靜壓

轉(zhuǎn)杯紡是一種自由端紡紗方法，成紗過程中自由態(tài)纖維由離心力與氣流力作用在凝聚槽凝聚，隨高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯加捻成紗。轉(zhuǎn)杯紡紗機按照轉(zhuǎn)杯型號的不同，可分為自排風式和抽氣式，二者成紗過程基本一致，但形成負壓的方式不同[1]。

轉(zhuǎn)杯型號是以凝聚槽的形狀進行分類的，可分為G型、T型、S型、U型等。G型槽適紡中、低線密度機織、針織、牛仔布用紗以及染色布用紗，適紡線密度小于100 tex；T型槽應用面廣，適紡線密度小于60 tex；S型槽適紡高含雜棉及各類化纖，適紡線密度大于28 tex；U型槽適紡粗支紗，紡出的紗線強度較低，波紋較少，適紡線密度大于35 tex[1-2]。成紗質(zhì)量與凝聚槽的槽型、凝聚角度的大小和摩擦因數(shù)等因素有很大關(guān)系。

曾泳春等[3]采用二維模型對噴氣織機噴嘴中的氣流運動進行數(shù)值計算，結(jié)果表明，噴孔傾角為45°時，噴嘴內(nèi)氣流速度分布均勻，成紗性能好；鄒專勇等[4]建立了噴氣渦流紡噴嘴結(jié)構(gòu)三維模型，表征了噴嘴內(nèi)氣流場的流動情況，分析了流場內(nèi)的速度分布、壓力分布以及流場與成紗機制之間的聯(lián)系；梁海順等[5]應用NUMECA軟件模擬了噴氣織機主噴嘴內(nèi)部流場特征；林惠婷等[6]通過數(shù)值計算方法研究了纖維輸送管和轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流運動特性，探討了纖維輸送管特征數(shù)和空間位置角對纖維伸直狀態(tài)的影響。

本文以轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)氣流場作為研究對象，應用Fluent對轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)的氣流流動特征進行模擬，并分析了4種不同型號的凝聚槽對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的影響，為研究凝聚槽型號對紗線質(zhì)量的影響提供理論依據(jù)。

1 抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗通道流場三維模型

圖1示出紡紗通道內(nèi)流場的三維模型，包括引紗管、輸棉通道、轉(zhuǎn)杯等。此模型是根據(jù)日發(fā)機械股份有限公司生產(chǎn)的某種型號轉(zhuǎn)杯紡紗機內(nèi)的轉(zhuǎn)杯所建立，轉(zhuǎn)杯直徑為36 mm。從圖1(b)可看出，轉(zhuǎn)杯直徑最大位置處形成一個凝聚纖維的凹槽，即為凝聚槽。為探究凝聚槽類型對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的影響，對直徑為36 mm,槽型為G型、T型、S型、U型的轉(zhuǎn)杯分別進行模擬。

圖1 紡紗通道內(nèi)流場三維模型Fig.1 3-D Airflow field model of spinning channel (a) and cross sectional view of YZ (b)

2 紡紗通道內(nèi)流場的數(shù)值計算

2.1 物理模型

由于氣流在紡紗通道內(nèi)高速流動，因此，紡紗通道內(nèi)氣流的流動是可壓縮的黏性流動。為簡化數(shù)值計算，忽略紡紗通道流場內(nèi)的纖維運動和熱傳遞?；究刂品匠虨槟芰渴睾惴匠毯蛣恿渴睾惴匠獭?/p>

能量守恒方程的微分表達式[7]為

(1)

式中：ρ為氣體密度；h為熵；ui為氣流速度在xi方向的分量；k為分子傳導率；kt為湍流傳遞引起的傳導率；T為溫度；Sh為被定義的體積源[7]。

動量守恒方程的微分表達式[7]為

(2)

式中：uj為氣流速度在xj方向的分量；p為壓強；τij為應力矢量；gi為沿著i方向的重力分量；Fi為阻力和能源引起的其他源項[7]。

湍流模型采用標準的k-ε模型方程：

式中：Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能；YM為可壓縮湍流中脈動膨脹的貢獻；μt為湍流黏性系數(shù)；σk為湍動能k對應的普朗特數(shù)；σε為耗散能ε對應的普朗特數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項；C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=0.09[7]。

2.2 邊界條件設定

入口邊界：設置輸棉通道入口為質(zhì)量流量入口，入口質(zhì)量流量=氣體密度(1.29 kg/m3)×入口速度(50 m/s)×入口截面積(83.72 mm2)=0.005 4 kg/s。

出口邊界：由轉(zhuǎn)杯紡紗工藝可知，出口邊界為壓力出口，出口處的壓強值設為-8 kPa[8]。

固體壁面：在紡紗過程中，轉(zhuǎn)杯沿著順時針方向高速旋轉(zhuǎn)，因此，轉(zhuǎn)杯壁面的運動類型為旋轉(zhuǎn)[9]，轉(zhuǎn)速設為12萬r/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 紡紗通道內(nèi)流場分析(T型)

在對模擬計算結(jié)果進行后處理的過程中發(fā)現(xiàn)，G型、T型、S型和U型槽的紡紗通道內(nèi)三維流場的氣流速度矢量圖及壓強分布圖的趨勢基本保持一致。本文將T型槽的紡紗通道內(nèi)三維流場作為例子分析其流場模擬的結(jié)果。

圖2示出T型槽靜壓分布圖。由圖2(a)可知，轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)的靜壓處于-13.719 63～-941.96 Pa之間，小于輸棉通道內(nèi)的靜壓。由圖2(b)和圖2(c)可知，輸棉通道入口處壓力達到最大值，為18 224.56 Pa，當纖維由輸送管入口處向出口處運動的過程中，輸棉通道內(nèi)的靜壓逐漸變成了負壓，出口處的靜壓值為-32 886.10 Pa，纖維輸送管內(nèi)的負壓有利于纖維順利脫離分梳輥，向轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)運動。從圖2(c)還可看出：轉(zhuǎn)杯內(nèi)的大部分靜壓為負壓，處于-13 719.63～-7 330.80 Pa之間，有利于纖維沿著滑移面向凝聚槽運動，使紡紗順利進行；轉(zhuǎn)杯內(nèi)的靜壓呈現(xiàn)不均勻的分布，使得轉(zhuǎn)杯由于受到氣流不平衡力的影響，在旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性降低，磨損程度增大，使用壽命大大縮短。

圖2 T型槽靜壓分布圖Fig.2 T-type static pressure in spinning channel (a), transfer channel (b) and rotor (c)

圖3示出T型槽速度分布失量圖。由圖3(a)紡紗通道內(nèi)速度分布矢量圖和圖3(b)輸棉通道內(nèi)速度分布矢量圖可知，隨著輸棉通道的橫截面積逐漸縮小，輸棉通道中的氣流速度值呈梯度遞增，出口處的速度值最大，達到261.81 m/s，氣流在輸棉通道中的加速運動既有利于纖維順利向轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)移動，更有利于輸棉通道中彎鉤纖維的伸直。由圖3(c)轉(zhuǎn)杯內(nèi)速度分布矢量圖可知：輸棉通道出口處的氣流碰撞到轉(zhuǎn)杯滑移面后，向周圍發(fā)散運動；隨著轉(zhuǎn)杯的高速旋轉(zhuǎn)，由于受到杯內(nèi)負壓和滑移面摩擦阻力的影響，分成2股不同大小和方向的氣流，一股繞著轉(zhuǎn)杯順時針向上運動，一股繞著轉(zhuǎn)杯逆時針向上運動，在2股氣流交匯處形成渦流，渦流的形成是纖維產(chǎn)生包纏加捻的關(guān)鍵，有助于成紗。

3.2 凝聚槽類型對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的影響

在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯離心力作用下，纖維由滑移面向凝聚槽內(nèi)移動，疊合成環(huán)形的凝聚須條。凝聚的目的是為了連續(xù)紡紗，這是轉(zhuǎn)杯紡紗的必要工藝過程，因此，本文對G型、T型、S型和U型槽內(nèi)的氣流場進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果如圖4～5所示。

圖4示出G型、T型、S型和U型槽的壁面靜壓分布云圖。由圖可知：在相同的工藝條件下，G型槽內(nèi)靜壓處于-43 468.81～22 059.51 Pa之間，T型槽內(nèi)靜壓處于-32 886.15～18 224.56 Pa之間，S型槽內(nèi)靜壓處于-31 944.15～19 432.92 Pa之間，U型槽內(nèi)靜壓處于-32 269.47～19 154.20 Pa之間；在4種槽型中，G型槽高壓值最大，T型槽高壓值最小，S型槽低壓值最大，G型槽低壓值最小。

圖3 T型槽速度分布矢量圖Fig.3 T-type airflow velocity in spinning channel (a), transfer channel (b) and rotor (c)

注：單位為Pa。圖4 不同類型凝聚槽壁面靜壓分布Fig.4 Static pressure in different grooves. (a) G type; (b) T type; (c) S type; (d) U type

圖5示出不同類型凝聚槽壁面的速度分布，圖6示出轉(zhuǎn)杯凝聚槽1周0°～360°各個角度處的壓力和速度分布規(guī)律。0°位置處為輸棉通道中心線延長至出口與凝聚槽交匯處，角度沿著順時針方向遞增。由圖5、6可知，在相同工藝條件下，G型槽內(nèi)速度值最大，T型槽與U型槽次之，且T型槽內(nèi)速度值高于U型槽，S型槽內(nèi)速度值最小。

注：單位為Pa。圖5 不同類型凝聚槽壁面速度分布Fig.5 Velocity of different types of grooves. (a) G type; (b) T type; (c) S type; (d) U type

圖6 凝聚槽中壓力和速度分布規(guī)律Fig.6 Pressure distribution of grooves (a) and velocity distribution of grooves (b)

從圖6(a)可看出，凝聚槽的靜壓在0°位置處達到最大值，隨著轉(zhuǎn)杯的高速旋轉(zhuǎn)，靜壓值急速下降，且在0°～20° 區(qū)間內(nèi)，靜壓值由正變?yōu)樨摗５?20°～360°區(qū)間內(nèi)，靜壓值又由負變?yōu)檎?，?0°～320°區(qū)間內(nèi)，壓力相差不大，靜壓比較穩(wěn)定。從圖6(b)可看出，在0°位置處，氣流速度較低，隨著角度遞增，速度急劇增加，在0°～20°區(qū)間內(nèi)，速度梯度較大，在20°位置處，速度達到最大值，這是由于輸棉通道出口處的纖維沿著轉(zhuǎn)杯滑移面向凝聚槽中運動的過程中，纖維在該位置處的聚合效果好。沿著順時針方向，氣流速度在凝聚槽120°～180°區(qū)間內(nèi)又減少了1個數(shù)量級，結(jié)合圖5可看出，輸棉通道出口處流出的高速氣流，碰到轉(zhuǎn)杯滑移面后，在滑移面摩擦阻力和負壓作用下，形成2股不同大小、反向運動的氣流，一股沿著轉(zhuǎn)杯順時針方向旋轉(zhuǎn)，一股沿著轉(zhuǎn)杯逆時針方向旋轉(zhuǎn)，2股氣流在180°位置處相遇，所以此處速度值和壓力值較小，不利于纖維的聚合、加捻成紗。

由圖6可知：4種槽型在0°和360°位置處靜壓大小為G型>S型>U型>T型，其余角度位置處靜壓大小為S型>U型>T型>G型；4種槽型在各角度位置處的速度大小為G型>T型>U型>S型。由氣流紡回轉(zhuǎn)紗條張力的測試與分析[10]結(jié)果可知，速度越大，凝聚槽內(nèi)的氣流由于受到轉(zhuǎn)杯內(nèi)離心力的作用，越來越易聚集，對纖維須條產(chǎn)生的抱合力較大，纖維與纖維間的緊密度增加，使得纖維須條的加捻阻力減小，導致紗線的捻回傳遞長度減小，紡出的紗線強力相應增加，因此，G型槽紡成的紗線強力最大，大于T型槽和U型槽，而S型凝聚槽中的纖維須條呈現(xiàn)蓬松狀態(tài)，使得須條的加捻阻力增大，導致紗線的捻回傳遞長度變大，纖維纏繞增多，成紗強力變小。這又和轉(zhuǎn)杯紡捻度傳遞長度的解析研究[11]中的結(jié)論一致，因為凝聚槽的夾角越大，紡出紗線的捻度傳遞長度就越大，G型凝聚槽的夾角是35°，T型凝聚槽的夾角是45°，U型凝聚槽的夾角是80°，S型凝聚槽的夾角是85°，所以4種槽型紡出的紗線的捻回傳遞長度的大小為S型>U型>T型>G型。捻度傳遞長度纏繞纖維與成紗質(zhì)量[12]的實驗研究表明，紗線的捻回傳遞長度與成紗質(zhì)量的關(guān)系密切。當捻回傳遞長度增加，紗線的強力下降；當捻回傳遞長度減小，紗線的強力增大。4種槽型的成紗強力大小為G型>T型>U型>S型。

4 結(jié) 論

采用3-D模型，借助流體計算分析軟件對紡紗通道內(nèi)的氣流場進行模擬計算，并研究了G型、T型、U型和S型槽對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流流動特征的影響，得到以下結(jié)論。

1)4種槽型的紡紗通道內(nèi)氣流場靜壓分布云圖與速度分布矢量圖的趨勢基本一致，以T型槽為例，轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)的靜壓低于纖維輸送管內(nèi)的靜壓，纖維在纖維輸送管入口處靜壓值最大為18 224.56 Pa，出口處靜壓值最小為-32 886.10 Pa；轉(zhuǎn)杯內(nèi)的靜壓分布不均勻，且大部分靜壓為負壓。

2)隨著纖維輸送管管道直徑逐漸減小，纖維由輸送管進入轉(zhuǎn)杯內(nèi)的過程中加速運動，且在纖維輸送管出口處速度達到最大值261.81 m/s，有利于纖維的定向伸直；纖維到達轉(zhuǎn)杯滑移面上時一方面向凝聚槽運動，一方面沿著轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向運動。

3)G型槽內(nèi)靜壓處于-43 468.81～22 059.51 Pa之間，速度處于0～296.27 m/s之間；T型槽內(nèi)靜壓處于-32 886.15～18 224.56 Pa之間，速度處于0～261.81 m/s之間；S型槽內(nèi)靜壓處于-31 944.15～19 432.92 Pa之間，速度處于0～253.31 m/s之間；U型槽內(nèi)靜壓處于-32 269.47～19 154.20 Pa之間，速度處于0～261.20 m/s之間。

4)以輸棉通道中心線延長至出口與凝聚槽交匯處為0°，角度沿凝聚槽順時針方向遞增至360°；4種槽型在0°與360°位置處靜壓大小為G型>S型>U型>T型，其余角度位置處靜壓大小為S型>U型>T型>G型；4種槽型的速度大小為G型>T型>U型>S型；G型槽紡成的纖維抱合力大，纖維須條緊密，須條加捻阻力小，捻度易于傳遞，所紡紗線強度高于其他3種槽型。

FZXB

[1] 張百祥,周慈念.轉(zhuǎn)杯紡紗[M].北京:紡織工業(yè)出版社, 1993:61-65. ZHANG Baixiang,ZHOU Cinian.Rotor Spinning [M]. Beijing:Textile Industry Press,1993:61-65.

[2] 葉鴻璣,徐潼.轉(zhuǎn)杯紡紗[M].濟南:濟南出版社,1989:8-13. YE Hongji,XU Tong.Rotor Spinning [M].Jinan:Jinan Press,1989:8-13.

[3] 曾泳春,郁崇文.噴氣紡噴嘴中氣流流動的數(shù)值計算[J].東華大學學報(自然科學版),2002(5):11-16. ZENG Yongchun, YU Chongwen.Value of airflow jet spinning nozzle computing [J].Journal of Donghua University (Natural Science),2002(5):11-16.

[4] 鄒專勇,俞建勇,薛文良,等.噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)部三維流場的數(shù)值研究[J].紡織學報,2008,29(2):86-89. ZOU Zhuanyong, YU Jianyong, XUE Wenliang,et al. Numerical study of jet vortex spinning nozzle inside the three-dimensional flow field [J].Journal of Textile Research,2008,29(2):86-89.

[5] 梁海順,楊昆,王貫超,等.基于NUMECA技術(shù)的噴氣織機主噴嘴內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].紡織器材,2008(3):12-16. LIANG Haishun, YANG Kun, WANG Guanchao, et al. Main nozzle internal flow field numerical simulation based on NUMECA technology[J].Textile Accessories, 2008(3):12-16.

[6] 林惠婷,汪軍,曾泳春.輸棉通道幾何參數(shù)對轉(zhuǎn)杯紡氣流場影響的數(shù)值研究[J].紡織學報,2015, 36(2):98-104. LIN Huiting, WANG Jun,ZENG Yongchun.Numerical study cotton spinning channel geometry on the flow field [J]. Journal of Textile Research, 2015,36(2):98-104.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004:7-9. WANG Fujun.Computational Fluid Dynamics Analy-sis [M].Beijing: Tsinghua University Press,2004:7-9.

[8] 劉超,楊瑞華,王鴻博,等.轉(zhuǎn)杯紡紗通道三維流場的數(shù)值模擬[J].紡織學報,2016,37(9):145-150. LIU Chao,YANG Ruihua,WANG Hongbo, et al.Numerical simulation of three-dimensional flow field in rotor spinning passage [J].Journal of Textile Research, 2016,37(9):145-150.

[9] 朱紅均,林遠華,謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程[M].北京:人民郵電出版社,2010:237-238. ZHU Hongjun,LIN Yuanhua,XIE Longhan.FLUENT Fluid Analysis and Simulation Practical Tutorial [M].Beijing:The People′s Posts and Telecommunications Press, 2010:237-238.

[10] 張百祥,秦洪奇,陳麗珍.氣流紡回轉(zhuǎn)紗條張力的測試與分析[J].東華大學學報(自然科學版),1981(1):8. ZHANG Baixiang, QIN Hongqi,CHEN Lizhen. Rotor spinning yarn tension test and analysis [J].Journal of Donghua University (Natural Science),1981(1): 8.

[11] 汪軍,黃秀寶.轉(zhuǎn)杯紡捻度傳遞長度的解析研究[J].中國紡織大學學報,2000(1):64-69. WANG Jun, HUANG Xiubao. Analytical studies spinning twist length transfer[J]. Journal of China Textile University, 2000(1): 64-69.

[12] 黃秀寶,梁金茹.捻度傳遞長度纏繞纖維與成紗質(zhì)量[J]. 紡織學報,1983,5(11):5-11. HUANG Xiubao,LIANG Jinru.Twist transfer length wound fiber and yarn quality[J].Journal of Textile Research,1983,5(11):5-11.

Numerical simulation of influence of groove type on flow field inside rotor

LIU Chao, YANG Ruihua, XUE Yuan, GAO Weidong
(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The influence of groove type on high speed airflow during rotor spun yarn was investigated. Airflow speed and static pressure in four types of groove, such as G, T, U and S of the 36 mm diameter rotor, were studied by Fluent software. The results show that under the same conditions, speeds in four groove size are G>T>U>S within the range from 0° to 360°. In 0° and 360° position, the static pressures are G>S>U>T. While for the rest of the angle position, the static pressures are S>U> T>G. Taking T groove as example, static pressures within the transfer channel are between -32 886.15 Pa and 18 224.56 Pa, static pressures within the rotor are between -13 719.63 Pa and -7 330.80 Pa. The airstream accelerates from the transfer channel inlet to the outlet with the decrease diameter of the pipe, and reaches the largest value to 261.81 m/s at the outlet.

rotor spinning; groove; numerical simulation; airflow field; speed; pressure

2016-03-23

2017-02-06

國家自然科學基金項目(51403085)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(JUSRP51631A)；江蘇省自然科學基金項目(BK20130148)；江蘇省政策引導類計劃(產(chǎn)學研合作)-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2016022-29)

劉超(1989—)，女，碩士生。主要研究方向為轉(zhuǎn)杯紡復合紗成紗結(jié)構(gòu)與成紗氣流分析。楊瑞華，通信作者，E-mail: yangrh@jiangnan.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160304807

TS 101.2

A