網(wǎng)孔羅拉集聚紡纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動狀態(tài)分析

王彩華　于斌

摘要：網(wǎng)孔羅拉集聚紡纖維集聚區(qū)構(gòu)建了三維模型，采用流體計算軟件Fluent模擬了氣流在該三維模型內(nèi)的流動狀態(tài)，并基于數(shù)值模擬結(jié)果分析了氣流吸聚槽始端位置對纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動狀態(tài)的影響。經(jīng)分析認(rèn)為當(dāng)氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口線對應(yīng)時，在纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動速度較高，但氣流逆纖維須叢輸運方向流動;當(dāng)氣流吸聚槽始端設(shè)置在牽伸鉗口前時，在纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動速度較低，但在自牽伸鉗口至氣流吸聚槽始端之間的纖維集聚區(qū)內(nèi)，氣流順纖維須叢輸運方向流動，而在自氣流吸聚槽始端向前的纖維集聚區(qū)內(nèi)，氣流逆纖維須叢輸運方向流動。

關(guān)鍵詞：集聚紡紗;纖維集聚區(qū);氣流吸聚槽;氣流流動狀態(tài)

中圖分類號：TS101.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）01-0103-05

Abstract：Athree-dimensionalmodeloffibercondensingzoneofdrilled-rollercompactspinningisbuilt，F(xiàn)luent（aCFDsoftware）isemployedtosimulateairflowpatternofthethree-dimensionalmodel，andtheeffectofbeginningendofairsuctionslotonairflowpatterninfibercondensingzoneisanalyzedbasedonthesimulationresults.Theanalysisindicatesthatairflowsoppositetothetransportdirectionoffiberstrandathighspeedinthefibercondensingzoneifthebeginningendofairsuctionslotcoincideswithdraftnip.Airflowsalongthetransportdirectionoffiberstrandinthefibercondensingzonebetweendraftnipandthebeginningendofairsuctionslot，whileoppositetothetransportdirectionoffiberstrandinthefibercondensingzoneinfrontofthebeginningendofairsuctionslotatlowspeedifthebeginningendofairsuctionslotissetinfrontofdraftnip.

Keywords：compactspinning;fibercondensingzone;airsuctionslot;airflowpattern

作者簡介：王彩華（1972-），女，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰人，講師，博士，主要從事紡紗技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)方面的研究。

集聚紡紗是近年來開發(fā)的一種新型紡紗技術(shù)，該技術(shù)通過使纖維須叢在加捻之前集聚成束狀的方式減少紗線毛羽的產(chǎn)生[1-2]。網(wǎng)孔羅拉集聚紡是主要集聚紡技術(shù)之一，關(guān)于網(wǎng)孔羅拉集聚紡纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動特征，以及集聚紡紗線的結(jié)構(gòu)與性能已有一定的研究成果[3-5]。

基于Rieter公司網(wǎng)孔羅拉集聚紡技術(shù)[6]，對纖維集聚裝置進(jìn)行改造，改造后的網(wǎng)孔羅拉集聚紡的纖維集聚裝置無阻捻羅拉，如圖1所示，圖1中箭頭方向為纖維須叢輸運方向。在改造后的網(wǎng)孔羅拉集聚紡中，紗線上的捻度可傳遞到牽伸鉗口，使由牽伸鉗口輸出的帶狀纖維須叢加捻后形成加捻三角區(qū);氣流吸聚管的安裝方式與在Rieter公司的網(wǎng)孔羅拉集聚紡中的氣流吸聚管的安裝方式相同，而氣流吸聚管上的氣流吸聚槽設(shè)置在加捻三角區(qū)覆蓋的下方位置。在改造后的網(wǎng)孔羅拉集聚紡中，減少紗線毛羽的方式為：利用氣流集聚作用使可能成為紗線毛羽的纖維的頭端或尾端在加捻結(jié)束之前落在加捻三角區(qū)上，隨纖維須叢一起捻入紗線內(nèi)，從而達(dá)到以較低的氣流動力消耗實現(xiàn)較高的紗線毛羽降低率的目的。

1研究方法

在網(wǎng)孔羅拉集聚紡中，氣流吸聚槽始端位置是影響纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動特征的重要因素[7]。為探討氣流吸聚槽始端位置對纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動狀態(tài)的影響，文中采用相同結(jié)構(gòu)的氣流吸聚槽，且沿纖維須叢輸運方向使氣流吸聚槽末端處于同一位置，而氣流吸聚槽始端分別設(shè)置在不同位置。構(gòu)建包含改造后的網(wǎng)孔羅拉纖維集聚區(qū)的三維模型，并采用流體計算軟件Fluent模擬計算該三維模型內(nèi)的流體流動狀態(tài)，基于模擬結(jié)果分析氣流吸聚槽始端位置變化對改造后的網(wǎng)孔羅拉集聚紡纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動狀態(tài)的影響。

2氣流吸聚槽始端位置設(shè)置

為探討氣流吸聚槽始端位置對改造后的網(wǎng)孔羅拉集聚紡纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動狀態(tài)的影響，文中使氣流吸聚槽始端設(shè)置在兩處，一是使氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口對應(yīng)，二是使氣流吸聚槽始端處于牽伸鉗口前方。氣流吸聚槽沿纖維須叢輸運方向的延伸長度依據(jù)加捻三角區(qū)高度確定，當(dāng)氣流吸聚槽的始端與牽伸鉗口對應(yīng)時，氣流吸聚槽左右邊緣呈圓弧狀向纖維須叢輸運方向延伸3mm;當(dāng)氣流吸聚槽的始端設(shè)置在牽伸鉗口前方1mm處時，氣流吸聚槽左右邊緣呈圓弧狀向纖維須叢輸運方向延伸2mm。

3用于數(shù)值模擬的三維模型及邊界確定

經(jīng)文中改進(jìn)后的網(wǎng)孔羅拉集聚紡的纖維集聚區(qū)為夾在網(wǎng)孔羅拉的圓柱壁面與牽伸皮輥的圓柱壁面之間的開放空間。為了使數(shù)值模擬結(jié)果更逼近實際值，用于數(shù)值模擬的三維模型還包含了網(wǎng)孔羅拉及牽伸皮輥前方的空間。本研究所構(gòu)建的三維模型如圖2所示，其中網(wǎng)孔羅拉1的圓柱面10及牽伸皮輥2的圓柱面11為三維模型的壁面，其余各面是為構(gòu)建三維模型在纖維集聚區(qū)周圍虛構(gòu)的面，這些面為三維模型的氣流入口，而氣流出口開在網(wǎng)孔羅拉1的圓柱面10上。在構(gòu)建用于數(shù)值模擬的三維模型時，網(wǎng)孔羅拉半徑R1、牽伸皮輥半徑R2依據(jù)Rieter公司網(wǎng)孔羅拉集聚紡中的實際尺寸確定，其中，網(wǎng)孔羅拉半徑R1=30mm，牽伸皮輥半徑R2=12mm;三維模型的高度至少不小于網(wǎng)孔羅拉半徑與牽伸皮輥半徑之和;三維模型的長度至少不小于網(wǎng)孔羅拉半徑。

4三維模型的網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對所構(gòu)建的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在對所構(gòu)建的三維模型進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分后，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)三維模型內(nèi)的氣流壓力及氣流流動速度穩(wěn)定后，對所構(gòu)建的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格加密，繼續(xù)數(shù)值模擬計算直到三維模型內(nèi)的氣流壓力及氣流流動速度再次穩(wěn)定。如此反復(fù)操作，直到三維模型內(nèi)的氣流壓力及氣流流動速度不隨網(wǎng)格密度的增加而變化為止。圖3展示的是當(dāng)三維模型內(nèi)的氣流流動狀態(tài)不隨網(wǎng)格密度的增加而變化時，在三維模型內(nèi)的網(wǎng)格劃分狀態(tài)。

5數(shù)值模擬的初始模擬條件及空氣流動模型

在數(shù)值模擬中，三維模型的氣流入口設(shè)定為壓力入口，空氣壓力取大氣表壓力0Pa，氣流入口處的空氣溫度取紡紗車間室溫20℃;三維模型的氣流出口設(shè)定為壓力出口，在數(shù)值模擬中壓力出口的壓力取網(wǎng)格羅拉集聚紡中的較低氣流負(fù)壓值-2000Pa。

在數(shù)值模擬中，空氣在三維模型中流動形成的流場雷諾數(shù)由式（1）計算[7]，

式中：P為三維模型的出口壓力;ρ、η分別為空氣密度與動力黏性系數(shù);Dn為流場高度，取網(wǎng)孔羅拉半徑與牽伸皮輥半徑之和。

依據(jù)上述計算式獲得的纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流場的雷諾數(shù)為3878，該值高于臨界雷諾數(shù)2300，所以采取κ-ε湍流模型模擬氣流在網(wǎng)孔羅拉氣流集聚紡的纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動狀態(tài)。

6數(shù)值模擬結(jié)果與分析

纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動速度分布及氣流流動方向分布是影響纖維在纖維集聚區(qū)內(nèi)集聚效果的主要因素。本文基于氣流在纖維集聚區(qū)內(nèi)的流動速度分布及速度矢量分布分析氣流吸聚槽始端位置對網(wǎng)孔羅拉氣流集聚紡纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動狀態(tài)的影響。

6.1在纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動速度分布

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，沿纖維須叢輸運方向在纖維集聚區(qū)內(nèi)獲得了氣流流動速度分布，如圖4所示。依據(jù)圖4展示的氣流流動速度分布，當(dāng)氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口對應(yīng)時，自牽伸鉗口沿纖維須叢方向，氣流流動速度由最高點迅速下降至0;當(dāng)氣流吸聚槽始端設(shè)置在牽伸鉗口前方時，自牽伸鉗口沿纖維須叢運動方向，氣流的流動速度自較低值逐漸增加，并在氣流吸聚槽始端與末端之間達(dá)到最大值，隨后氣流流動速度迅速下降至0。比較圖4（a）與圖4（b）可知，在自牽伸鉗口至氣流吸聚槽末端之間的纖維集聚區(qū)內(nèi)，當(dāng)氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口對應(yīng)時，在纖維集聚區(qū)內(nèi)任一點處的氣流流動速度相對較高，而當(dāng)氣流吸聚槽始端位置設(shè)置在牽伸鉗口前方時，在纖維集聚區(qū)內(nèi)任一點處的氣流流動速度相對較低。

6.2在纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動速度矢量分布

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在網(wǎng)孔羅拉所在弧面上獲得了氣流流動速度矢量分布，如圖5所示，其中，粗箭頭方向是纖維須叢輸運方向。依據(jù)圖5展示的氣流流動速度矢量分布，當(dāng)氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口對應(yīng)時，在自氣流吸聚槽始端向前的整個纖維集聚區(qū)內(nèi)，來自氣流吸聚槽周圍的氣流的流向與纖維須叢輸運方向之間的夾角逐漸從90°增大到180°，氣流基本以逆纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽;當(dāng)氣流吸聚槽始端位置設(shè)置在牽伸鉗口前方時，在自牽伸鉗口至氣流吸聚槽始端之間的纖維集聚區(qū)內(nèi)，來自氣流吸聚槽周圍的氣流的流向與纖維須叢輸運方向之間的夾角逐漸從90°減小到0°，氣流基本以順纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽，而在自氣流吸聚槽始端向前的纖維集聚區(qū)內(nèi)，來自氣流吸聚槽周圍的氣流的流向與纖維須叢輸運方向之間的夾角逐漸從90°增加到180°，氣流基本以逆纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽。比較圖5（a）與圖5（b）可知，當(dāng)氣流吸聚槽始端位置設(shè)置在牽伸鉗口前方時，在自氣流吸聚槽始端向前的纖維集聚區(qū)內(nèi)，盡管氣流基本也是以逆纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽，然而，氣流流向與纖維須叢輸運方向之間的夾角相對更小。

6.3氣流吸聚槽始端位置設(shè)置分析

依據(jù)圖4、圖5展示在纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動速度分布及流動速度矢量分布，當(dāng)氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口對應(yīng)時，雖然圍繞在氣流吸聚槽周圍的氣流的流動速度相對較高，然而由于氣流逆纖維須叢輸運方向流動，且氣流流動方向與纖維須叢輸運方向之間的夾角相對更大，在纖維集聚區(qū)內(nèi)由氣流流動產(chǎn)生的推動纖維發(fā)生橫向移動的動力較低，而由氣流流動產(chǎn)生的逆纖維須叢輸運方向的動力較高，因此，該氣流流場不利于在紡紗工程中減少紗線毛羽的產(chǎn)生。當(dāng)氣流吸聚槽始端設(shè)置在牽伸鉗口前時，盡管在氣流吸聚槽周圍的氣流的流動速度相對較低，然而，在自牽伸鉗口至氣流吸聚槽始端之間的纖維集聚區(qū)內(nèi)，氣流流向更有利于使可能成為紗線毛羽的纖維的頭端或尾端在加捻結(jié)束之前落在加捻三角區(qū)上，使紗線毛羽更少;在自氣流吸聚槽始端向前的纖維集聚區(qū)內(nèi)，盡管氣流基本以逆纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽，然而由于氣流流動方向與纖維須叢輸運方向之間的夾角相對更小，由氣流流動產(chǎn)生的推動纖維發(fā)生橫向移動的動力相對較高，而由氣流流動產(chǎn)生的逆纖維須叢輸運方向的動力較抵，相對而言，該氣流流場更利于在紡紗工程中減少紗線毛羽的產(chǎn)生。

7結(jié)論

a）在改進(jìn)后的氣流集聚紡紗技術(shù)中，氣流吸聚槽始端位置是影響紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動狀態(tài)的重要因素。

b）當(dāng)氣流吸聚槽始端與牽伸鉗口對應(yīng)時，在纖維集聚區(qū)內(nèi)，氣流以較高的流動速度逆纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽，該氣流流場不利于在紡紗工程中減少紗線毛羽的產(chǎn)生。

c）當(dāng)氣流吸聚槽始端設(shè)置在牽伸鉗口線前方時，在自牽伸鉗口至氣流吸聚槽始端之間的纖維集聚區(qū)內(nèi)，氣流以較低流動速度順纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽;在自氣流吸聚槽始端向前的纖維集聚區(qū)內(nèi)，氣流以較低的流動速度逆纖維須叢輸運方向流向氣流吸聚槽。該氣流流場相對更有利于在紡紗工程中減少紗線毛羽的產(chǎn)生。

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