空心錠結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)流場(chǎng)的影響

陳洪立, 李 炯, 金玉珍, 武傳宇, 胡旭東(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

空心錠結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)流場(chǎng)的影響

陳洪立1,2, 李 炯1,2, 金玉珍1,2, 武傳宇1,2, 胡旭東1,2
(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

為研究空心錠外圓錐面上斜孔結(jié)構(gòu)對(duì)噴氣渦流紡成紗性能的影響，采用Solidworks建立了加捻腔的三維CAD模型，利用Fluent 15建立了加捻腔的流體計(jì)算力學(xué)模型，并進(jìn)行了流場(chǎng)仿真，研究了流場(chǎng)的氣流流動(dòng)特性以及壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布規(guī)律。結(jié)果表明：氣流經(jīng)噴孔噴出后以螺旋狀推進(jìn)，加捻腔內(nèi)部靜壓場(chǎng)呈現(xiàn)U型分布；在靠近空心錠入口處存在負(fù)壓，有利于纖維加捻后吸入空心錠內(nèi)；空心錠外圓錐面上開通的斜孔有利于增加纖維輸出時(shí)的軸向速度并且能夠有效減緩軸向速度減小的趨勢(shì)；斜孔角度對(duì)纖維進(jìn)入加捻腔時(shí)的軸向速度起到一定的影響，軸向速度隨斜孔角度的增加存在先增大后減小的趨勢(shì)；斜孔能夠提高纖維的加捻效果，改善成紗性能。

噴氣渦流紡； 空心錠結(jié)構(gòu)； 加捻腔； 數(shù)值模擬； 流場(chǎng)

噴氣渦流紡紗技術(shù)是日本村田機(jī)械株式會(huì)社在噴氣紡紗技術(shù)基礎(chǔ)上成功研制的一種更為先進(jìn)的紡紗機(jī)(簡(jiǎn)稱MVS)[1-2]。該紡紗技術(shù)是采用假捻-退捻-包纏的非自由端成紗機(jī)制[3]，噴氣渦流紡紗機(jī)的主要部件是加捻器，加捻器結(jié)構(gòu)主要由螺旋引導(dǎo)面、引導(dǎo)針、噴孔和空心錠子組成[4]。工作原理是將壓縮空氣輸入噴孔中在加捻腔內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)氣流，通過旋轉(zhuǎn)氣流的作用對(duì)自由端纖維進(jìn)行加捻成紗[5]。

最新村田Vortex Ⅲ 870型渦流紡紗機(jī)[6]，其最高紡紗速度能夠達(dá)到500 m/min，所紡紗線毛羽較少，條干均勻，斷裂強(qiáng)度較大[7]，由噴氣渦流紡織成的織物具有耐磨、抗起球、易吸濕、易染、快干等優(yōu)點(diǎn)，但噴氣渦流紡紗機(jī)技術(shù)存在成紗細(xì)節(jié)多、成紗強(qiáng)力低等缺陷[8]，究其原因是噴氣渦流紡紗線結(jié)構(gòu)為外層螺旋纖維包覆中心平行纖維，紗線中纖維間的抱合力較低，使得紗線的成紗強(qiáng)力較低；又由于加捻腔內(nèi)部氣流壓力較大，更加深了抱合力不足的缺陷使得紗線細(xì)節(jié)增多、強(qiáng)力不足[9]。尚珊珊等[10]在自制的噴氣渦流紡紗小樣機(jī)上研究了渦流管噴孔孔徑、噴孔角度和噴孔個(gè)數(shù)對(duì)紗線條干不勻率、斷裂伸長率、毛羽數(shù)、單紗強(qiáng)度的影響；鄒專勇[11]利用Box-Behnken Design試驗(yàn)確定噴嘴壓力、紗線線密度以及紡紗速度3個(gè)重要因素對(duì)紗線條干、毛羽及紡紗直徑的影響；周金香等[12]在鄒專勇基礎(chǔ)上又研究了上述3個(gè)因素對(duì)紗線織物的斷裂強(qiáng)度、透氣性、懸垂性及耐磨性的影響，但是未見對(duì)空心錠結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)氣流場(chǎng)影響的分析。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法分析空心錠結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)的影響，主要對(duì)空心錠外圓錐面斜孔排數(shù)以及斜孔軸線與空心錠中心軸線的夾角對(duì)加捻腔內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，為進(jìn)一步改善成紗性能提供理論參考。

1 加捻腔計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型建立

1.1 模型建立

本文以VORTEX861型渦流紡紗機(jī)為原型，以噴孔與入口平面夾角θ為30°為例，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)：噴孔直徑D1為0.5 mm，纖維入口直徑D2為4.4 mm，噴嘴出口外徑D3為11 mm、內(nèi)徑D4為9 mm，噴嘴各段高度H1為1.85 mm、H2為5.25 mm、H3為6 mm，空心錠入口內(nèi)徑D5為1.1 mm，空心錠子出口直徑D6為3 mm，空心錠子高度為H4為7 mm、H5為7 mm，建立了加捻腔計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型。建模過程忽略螺旋引導(dǎo)面對(duì)纖維的集束作用而簡(jiǎn)化為一個(gè)平面，又由于引導(dǎo)針尺寸較小，為簡(jiǎn)化模型不考慮其對(duì)計(jì)算的影響，應(yīng)用三維畫圖軟件Solidworks進(jìn)行建模，結(jié)果如圖1所示。

圖1 加捻腔模型Fig.1 Twisting chamber modle.(a)Schematic model of computational zone; (b)Elevation of modle

1.2 空心錠結(jié)構(gòu)

本文以1.1小節(jié)建立的加捻腔模型為例，在空心錠截面中心開設(shè)呈環(huán)形陣列的斜體通孔(簡(jiǎn)稱斜孔)[13]，定義斜孔軸線中心與水平面的夾角為α，以同樣方式接著打孔并取斜孔排數(shù)為n；斜孔直徑為0.4 mm；呈周向取6個(gè)均布在空心錠上，如圖2所示。圖中H1為第1排斜孔軸線中心到空心錠頂端平面的距離，取2 mm；H2為上下相鄰斜孔的軸線中心在垂直方向的距離，取 1 mm。實(shí)驗(yàn)以斜孔排數(shù)n以及夾角α為因子分析空心錠斜孔配置對(duì)氣流流動(dòng)的影響。方案設(shè)計(jì)如表1所示。

圖2 空心錠結(jié)構(gòu)Fig.2 Hollow spindle structure.(a) Arrangement of inclined holes on hollow spindle; (b) Sectional view of hollow spindle

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental scheme

1.3 邊界條件設(shè)定及求解方式選擇

將建立的模型導(dǎo)入到CAE前處理軟件ICEMCFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)總體結(jié)構(gòu)采用以網(wǎng)格間隔長度為0.25 mm進(jìn)行劃分，對(duì)噴孔壁面及噴孔進(jìn)口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格加密間隔長度取0.1 mm。

邊界條件設(shè)定：為加捻腔配置4個(gè)噴孔，將噴孔入口設(shè)置為速度入口邊界條件，取速度大小為260 m/s；將其余所有進(jìn)出口設(shè)置為自由出流邊界條件；將加捻腔壁面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。

求解方式：用Fluent15.0進(jìn)行流體數(shù)值計(jì)算。由于噴孔直徑較小，空氣進(jìn)入時(shí)平均流速較高，氣流流動(dòng)屬于湍流，模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，用基于壓力的定常求解方法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，用SIMPLE算法進(jìn)行求解，其他選項(xiàng)為默認(rèn)項(xiàng)。

2 仿真與分析

2.1 加捻腔內(nèi)部氣流的流動(dòng)特性

先將建立的CFD模型進(jìn)行流場(chǎng)分析，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results.(a)Path lines of particles; (b)Velocity vector of 3-D flow field; (c)Contours of static pressure at XZ profile; (d)Contours of velocity at XZ profile

由粒子跡線圖可看出，由噴孔噴射進(jìn)入的空氣由切向進(jìn)入加捻腔內(nèi)進(jìn)而形成旋轉(zhuǎn)氣流，推動(dòng)纖維以螺旋狀從纖維入口進(jìn)入加捻腔。由圖3(c)可看出在空心錠入口附近形靜壓存在負(fù)值，負(fù)壓的存在有利于纖維經(jīng)過加捻腔加捻后經(jīng)引導(dǎo)針引導(dǎo)下順利吸入空心錠入口，同時(shí)噴孔出口處存在相對(duì)較高的靜壓，這有利于尾端自由纖維能夠很好地倒伏于空心錠外表面。三維流場(chǎng)速度矢量圖(見圖3(b))和橫截面速度分布圖(見圖3(d))表明了加捻腔內(nèi)流速的變化，空氣經(jīng)噴孔噴出以繞中心軸線旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)的形式向空心錠出口推進(jìn)，在推進(jìn)過程中加捻腔內(nèi)部流場(chǎng)流速逐漸減小，在空心錠入口上方區(qū)域氣流流速急劇減小，纖維在該區(qū)域完成加捻并消耗大量的能量。

2.2 加捻腔內(nèi)靜壓分布

加捻腔內(nèi)的靜壓分布將影響纖維加捻成紗的紗線結(jié)構(gòu)，在XZ截面上取不同Z值(沿中心軸線坐標(biāo)取值)時(shí)靜壓值沿半徑分布具有以下規(guī)律：曲線呈現(xiàn)U型分布且離中心軸線越近靜壓越小，并隨半徑的增加靜壓逐漸增大；中心軸線處靜壓值最小且存在負(fù)值，這有利于靠近中心軸線處的纖維以平行伸直的狀態(tài)進(jìn)入空心錠內(nèi)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖5 速度曲線Fig.5 Velocity curve.(a) Axial velocity; (b) Tangential velocity; (c) Radial velocity; (d) Axial velocity distribution on central axis

圖4 XZ截面不同Z值的靜壓曲線Fig.4 Static pressure distributions at XZ profile with different Z values

2.3 空心錠上斜孔排數(shù)對(duì)氣流流動(dòng)的影響

為判斷斜體通孔對(duì)流場(chǎng)速度分布是否產(chǎn)生影響，取表1中斜孔角度α為30°、斜孔排數(shù)n為2、3，分析流場(chǎng)速度的變化規(guī)律。在Fluent軟件中分別取XZ截面距加捻腔頂端Z=1.85處以及加捻腔中心軸線上速度曲線進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖5。

由圖5(a)所示的Z=1.85處軸向速度分布曲線可知，在靠近空心錠頂端處軸向速度存在負(fù)值表示該區(qū)域存在少量的回流且有以下分布規(guī)律：軸向速度隨徑向距離的增加逐漸減小到零，而當(dāng)徑向距離繼續(xù)增加時(shí)，軸向速度又變?yōu)檎挡⒅饾u增大。當(dāng)徑向距離增加到接近加捻腔壁面附近時(shí)，由于纖維與壁面摩擦力的存在，軸向速度迅速減小為零。

由圖5(b)所示的Z=1.85處切向速度分布曲線可知，離噴孔出口越遠(yuǎn)切向速度越小，空心錠子會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生影響，在接近空心錠處切向氣流流速降低。

由圖5(c)所示的Z=1.85處徑向速度分布曲線可知，此處徑向速度總體較小，在空心錠近壁面處速度波動(dòng)較大，這種速度分布有利于進(jìn)入噴嘴中邊緣自由尾端纖維在氣流作用下膨脹, 從而在切向氣流作用下獲得更多的包纏纖維。

由圖5(d)所示的中心軸線軸向速度曲線可知，在加捻完成后(即圖中后半段曲線)紗線在空心錠中心通道輸出時(shí)，斜體通孔能夠顯著增加輸出時(shí)的軸向速度并且能夠有效減緩軸向速度減小的趨勢(shì)從而提高纖維的扭轉(zhuǎn)效果、增加纖維間的抱合力提高紗線的斷裂強(qiáng)度。

2.4 斜孔角度對(duì)速度的影響

取表1中斜孔排數(shù)為2、斜孔角度α為20°、30°、40°、50°，分析斜孔角度對(duì)加捻腔內(nèi)中心軸線上的軸向速度分量的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 軸向速度曲線Fig.6 Axial velocity curve.(a) Axial velocity distribution; (b) Local curve magnification

由圖6(a)、(b)可知，斜孔角度會(huì)對(duì)空心錠中心軸線上軸向速度分布起到一定的影響，當(dāng)斜孔角度α由20°增大到50°時(shí)，纖維入口處中心軸線上軸向速度由20°時(shí)的7.8 m/s增大到40°時(shí)的 8.9 m/s，隨之又減小到50°時(shí)的8.3 m/s。

3 結(jié) 論

通過利用流體計(jì)算軟件Fluent15.0，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)加捻腔內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了氣流的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并通過修改空心錠結(jié)構(gòu)參數(shù)得到了空心錠內(nèi)部的軸向速度曲線，得出以下結(jié)論：1)空氣經(jīng)噴孔噴出后以切向旋轉(zhuǎn)形式帶動(dòng)纖維呈現(xiàn)螺旋狀向空心錠出口推進(jìn)且氣流流速逐漸減弱。2)空心錠入口處靜壓存在負(fù)值有利于纖維進(jìn)入空心錠入口，且靜壓呈現(xiàn)U型分布。3)空心錠上斜體通孔在不影響纖維加捻的情況下，能夠顯著增加纖維輸出時(shí)的軸向速度和減緩速度減小的趨勢(shì)，這有利于提高纖維的扭轉(zhuǎn)效果、增加纖維內(nèi)部的抱合力，從而增加紗線斷裂強(qiáng)度、提高紗線性能。4)空心錠斜孔角度對(duì)纖維入口軸向速度起到一定的影響，隨斜孔角度的增大存在先增大后減小的趨勢(shì)。

FZXB

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Influenceofhollowspindlestructureparametersonflowfieldofairjetvortexspinning

CHEN Hongli1,2, LI Jiong1,2, JIN Yuzhen1,2, WU Chuanyu1,2, HU Xudong1,2
(1.EngineeringResearchCenterofModernTextileEquipmentTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to study the influence of the inclined hole structure on hollow spindle on the properties of vortex spinning yarn, the 3-D model of twisting chamber was established by using CAD software-Solidworks and the computational fluid dynamics model was built by FLUENT 15 software; and the flow field simulation was carrier out, and the flow characteristic and the distribution law of pressure field and velocity field were studied. Simulation results show that air is ejected from the jet orifice and pushed in a spiral manner, static pressure in twisting chamber is in U shaped distributions; the negative pressure exists near the entrance of the hollow spindle, facilitating the sucking of fibers into the hollow spindle; the inclined hole on the outer surface of the hollow spindle is beneficial to increase the output of fibers′axial velocity and effectively slow down the trend of axial velocity reduction; the angle of the inclined hole will affect the axial velocity of fibers when entering the twisting chamber, and as the angle of inclined hole increases, the axial velocity increases first and then decreases; and the inclined hole can improve fibers′twisting effect and ameliorate yarn properties.

air jet vortex spinning; hollow spindle structure; twisting chamber; numerical simulation; flow field

10.13475/j.fzxb.20170301806

TS 101.2

A

2017-03-08

2017-09-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51576180， 51205363)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15E050027， LZ14E050004)

陳洪立(1980—)，男，副教授。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)紡紗技術(shù)。E-mail:chenhldr@zstu.edu.cn。