基于有限元方法的全聚紡集聚區(qū)流場數(shù)值模擬

劉曉艷，劉新金，劉 娜，陸 如

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

基于有限元方法的全聚紡集聚區(qū)流場數(shù)值模擬

劉曉艷，劉新金，劉 娜，陸 如

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

利用有限元分析軟件ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，對全聚紡集聚區(qū)內(nèi)的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過模擬結(jié)果的對比分析，得到全聚紡集聚區(qū)內(nèi)氣流速度及氣流分布規(guī)律，對全聚紡工作原理進(jìn)行解釋。其次結(jié)合環(huán)錠紡和全聚紡純棉紡紗實(shí)驗(yàn)，討論氣流全聚紡集聚區(qū)氣流分布對純棉紗質(zhì)量的影響。結(jié)果表明:對于純棉紗的紡制，全聚紡有利于改善成紗條干，提高成紗強(qiáng)力，減少有害毛羽的同時保留豐富的有益毛羽。

有限元;全聚紡;流場;集聚

集聚紡紗技術(shù)將普通環(huán)錠細(xì)紗機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，增加了對從輸出羅拉鉗口到加捻點(diǎn)的紡紗三角區(qū)纖維的控制。其中負(fù)壓式集聚是目前集聚紡紗技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的集聚形式，對于集聚區(qū)流場分布的分析研究一直是集聚紡技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1－3］。高金霞等［4－5］研究了網(wǎng)眼羅拉型集聚紡系統(tǒng)中纖維在流場作用下的運(yùn)動規(guī)律，獲得了纖維在集聚區(qū)的運(yùn)動軌跡;文獻(xiàn)［6－7］研究了網(wǎng)格圈型集聚紡集聚區(qū)的流場流動情況，表征了集聚區(qū)的速度及靜壓分布;鄒專勇等［8］研究了鉆孔皮圈集聚紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)域的流場流動情況，解析了集聚區(qū)域內(nèi)流場的靜壓分布和速度分布規(guī)律;梅恒等［9］討論了四羅拉集聚紡系統(tǒng)加裝氣流導(dǎo)向裝置后集聚區(qū)的氣流分布變化。

全聚紡是一種新型窄槽式負(fù)壓空心羅拉集聚紡。該系統(tǒng)采用一種直徑為50mm的窄槽式空心羅拉并配合氣流導(dǎo)向片、吸風(fēng)插件以及吸風(fēng)系統(tǒng)及其配套組件的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)集聚負(fù)壓的有效利用，達(dá)到“全程集聚”效果［10］。

有限元法(FEM)是目前工程領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬方法之一。ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件之一，廣泛地運(yùn)用在結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等領(lǐng)域。有限元技術(shù)應(yīng)用于紡織領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)80年代［11］，早先研究較多的是紡織機(jī)件的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，后來逐步擴(kuò)展到纖維、紗線、織物等柔性材料等的分析［12－14］。近年來，隨著新型紡紗的出現(xiàn)，ANSYS在流場領(lǐng)域的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大，如氣流對毛羽減除原理的分析［15］等。

本文利用ANSYS中FLOTRAN CFD的分析功能對全聚紡的氣流進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過分析對全聚紡的工作原理做了進(jìn)一步解釋。并通過與環(huán)錠紡成紗質(zhì)量對比和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，為全聚紡的優(yōu)化改造提供理論指導(dǎo)。

1 ANSYS全聚紡氣流模擬

計(jì)算流體動力學(xué)(FLOTRAN Computational Fluid Dynamics，簡稱FLOTRAN CFD)是常規(guī)流體分析模塊，可用于分析二維及三維流體流場。使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID142單元可以解決作用于氣動翼葉型的升力和阻力、超音速噴管的流場、彎管中流體的復(fù)雜三維流動等。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點(diǎn)的壓力和每個單元的流率［15］，并可利用通用后處理功能得到壓力、流率等值線圖形顯示。本文利用該功能來模擬全聚紡的集聚區(qū)的氣流運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)一步揭示全聚紡集聚區(qū)的工作原理。

1.1 AUTOCAD集聚區(qū)模型構(gòu)建

全聚紡的集聚區(qū)主要包括3個部件:氣流導(dǎo)向片、空心羅拉和吸風(fēng)槽。其中:氣流導(dǎo)向片為圓弧體，長度為30mm，2個導(dǎo)風(fēng)槽的距離為20mm，圓弧截面的內(nèi)半徑為25mm，外半徑為27mm;空心羅拉的外半徑為25mm，內(nèi)半徑為24.5mm，窄槽與水平夾角為8°，長度為13mm，寬度為0.9mm，厚度為0.5mm，圍繞羅拉表面共有100個條形窄槽;吸風(fēng)槽的長度為18mm，兩端寬度分別為5、2mm。通過AUTOCAD建立集聚區(qū)的物理模型，如圖1所示。其中面1、面2、面3為壓力入口邊界，面4、面5為壓力出口邊界。

1.2 前處理

1)模型導(dǎo)入。首先將AUTOCAD中建立的模型導(dǎo)入到ANSYS中，導(dǎo)入后模型如圖2所示。

圖1 全聚紡集聚區(qū)物理模型Fig.1 Condensing zone physical model of complete condensing spinning system

圖2 ANSYS中的全聚紡集聚區(qū)物理模型Fig.2 Condensing zone physical model of complete condensing spinning system in ANSYS

2)網(wǎng)格劃分。通過Main Menu|Preferences選擇分析模塊 FLOTRAN CFD;通過 Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit Delete選擇單元類型3D FLOTRANM 142;在網(wǎng)格劃分中采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的單元是通過Size Cntrls|Smart Size|Adv Opts控制大小，在Global element size中設(shè)置為0.5。

3)邊界條件。設(shè)氣體為理想氣體，集聚區(qū)壓力入口處的壓力值為101300 Pa;壓力出口處的壓力值為－1500 Pa;其他邊界氣流通道處的固體壁面氣流運(yùn)動受到壁面約束的作用，其速度越來越小，最后趨向0，因此，假設(shè)氣流在固體壁面處遵循無滑移邊界條件，其他邊界的速度值為0。通過 Main Menu|Preprocessor|loads|Define loads|Apply|Fluid/CFD|Pressure DOF|Areas On，在 Pressure value分別定義壓力入口處壓力值為101300Pa，壓力出口處壓力值為－1500Pa;在其他邊界的邊界條件設(shè)置如下:Main Menu|Preprocessor|loads|Define loads|Apply|Fluid/CFD|velocity|Areas On，在 VxLoad value、VyLoad value、VzLoad value 3 處均為0。

1.3 求解

定義流體的物理屬性，分別在 Density和Viscosity處選擇AIR，迭代數(shù)Exeution Ctrl設(shè)置為60，為了防止FLOTRAN的系數(shù)矩陣具有負(fù)對角線和求解不收斂，將激活動量方程或湍流方程的修正松弛因子設(shè)置為0.5，通過Main Menu|Solution|Run FLOTRAN進(jìn)行求解，得到集聚區(qū)的流速分布，如圖3所示。

圖3 流場的速度分布Fig.3 Speed flow diagrams of XZ section(a)and YZ section(b)

1.4 后處理

1)位置點(diǎn)選取。如圖4示出后處理過程中的坐標(biāo)系，設(shè)置原點(diǎn)為集聚區(qū)出口處對應(yīng)的空心羅拉中空部分最右端位置，依次規(guī)定須條運(yùn)動方向?yàn)閄軸正方向、沿著羅拉表面指向吸風(fēng)槽方向?yàn)閅軸正方向、垂直于羅拉表面為Z軸正方向，建立三維直角坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)上，通過后處理提取信息的5個關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)位置，分別為:位置1位于集聚前區(qū)，坐標(biāo)為(－0.001，0，0);位置2、位置3、位置4 位于集聚中區(qū)，具體坐標(biāo)分別為(－0.005，0，0)、(－0.009，0，0)、(－0.0013，0，0)，集聚中區(qū)的正上方安裝氣流導(dǎo)向片;位置5位于集聚后區(qū)，坐標(biāo)為(－0.0017，0，0)。

2)平面截取。通過Utility Menu|PlotCrls|Style|Hidden Line Options，在 Type of plot中選擇Non-hidden，分別在圖5的5個位置處沿著Y軸方向截取平面。圖5示出位置3的截面圖。

圖4 位置坐標(biāo)Fig.4 Coordinates of key points

圖5 位置3的截面圖Fig.5 Section speed flow diagram of keypoint 3

3)路徑定義和信息提取。通過Main Menu|General PostProc|Path Operation|Define Path|On Working Plane定義在截面處離羅拉表面0.5mm的路徑。通過 Main Menu|General PostProc|Path Operation|Plot Path提取路徑數(shù)據(jù)。

2 全聚紡氣流分析

通過對5個位置路徑數(shù)據(jù)分析，得到4個位置處的X、Y、Z軸向的流速分布，如圖6所示。其中Y=0.0065 m表示吸風(fēng)槽中間位置。X軸方向流速分布如圖6(a)所示，X軸向氣流對須條具有輸出作用，X軸的流速大于0表示X軸的氣流沿著紗線運(yùn)動方向流動，一方面利于纖維的輸出，另一方面可以順直表面纖維，提高纖維集聚效果，X軸的流速小于0表示與紗線運(yùn)動方向相反，不僅不利于須條的輸出而且會吹亂須條表面的纖維，不利于纖維集聚;Y軸向流速分布如圖6(b)所示，該方向氣流對須條具有直接集聚作用，由圖可見:在0～0.0065m之間Y軸的流速大于0表示氣流由吸風(fēng)槽左側(cè)沿Y軸向吸風(fēng)槽中間流動，在0.0065～0.013 m之間Y軸流速小于0表示氣流由吸風(fēng)槽右側(cè)沿Y軸向吸風(fēng)槽中間流動，從而對須條產(chǎn)生集聚作用，使得須條變窄，減小加捻三角區(qū);Z軸向流速分布如圖6(c)所示，Z軸向氣流對須條可產(chǎn)生控制作用，Z軸的流速小于0可使得纖維緊貼在在羅拉表面繼而保持須條在集聚過程中更加穩(wěn)定;Z軸的流速大于0表示可使紗線脫離羅拉表面的作用，不利于紗線的品質(zhì)穩(wěn)定。

圖6 流速分布圖Fig.6 Velocity vector distributions of X axis(a)，Y axis(b)and Z axis(c)

由圖6(a)可見:集聚前區(qū)(位置1)和集聚中區(qū)前部分(位置2)的X軸流速小于0，氣流的方向是與須條運(yùn)動方向相反。此處X軸的速度不僅不利于須條的輸出而且會吹亂須條表面的纖維，不利于纖維集聚;在集聚中區(qū)后部分(位置3和位置4)和集聚后區(qū)(位置5)的X軸流速大于0，氣流的方向沿著須條運(yùn)動方向，此處氣流利于須條的輸出，且可以順直須條表面纖維。

由圖6(b)可見:集聚前區(qū)、集聚中區(qū)、集聚后區(qū)的Y軸流速在中間位置都是由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，使兩側(cè)氣流向中間流動，產(chǎn)生橫向集聚效果。且集聚中區(qū)的Y軸流速絕對值大于集聚前區(qū)和集聚后區(qū)，因此集聚中區(qū)的集聚作用最強(qiáng)。

由圖6(c)可見:在集聚前區(qū)和集聚后區(qū)的Z軸流速絕對值較大，氣流對須條具有較強(qiáng)的控制力，使得須條表面的纖維緊貼在羅拉表面，繼而保持須條在集聚過程中更加穩(wěn)定;在集聚中區(qū)的Z軸流速絕對值較小，氣流對須條的控制力較弱。

3 紡紗實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

紡紗實(shí)驗(yàn)在加裝全聚紡集聚紡的細(xì)紗機(jī)和EJM-128K-SM環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上進(jìn)行，紡制JC9.7 tex的純棉紗線。

3.2 測試方法與儀器

對紗線的品質(zhì)評定主要包括紗線的條干、強(qiáng)力、毛羽3個方面，分別測試紗線的條干CV值，粗細(xì)節(jié)，棉結(jié)，強(qiáng)力，強(qiáng)力CV值，斷裂強(qiáng)度，及毛羽長度≥1mm、≥2mm、≥3mm的紗線毛羽值等指標(biāo)。測試儀器為:USTER?條干儀、YG063全自動單紗強(qiáng)力儀和YG172A紗線毛羽測試儀。指標(biāo)測試環(huán)境為:溫度(21±2)℃，相對濕度(65±3)%。測試結(jié)果如表1所示。

3.3 紗線性能分析

由表1可見:1)全聚紡紗線較環(huán)錠紡紗線，條干CV值降低了11.8%，棉結(jié)和粗細(xì)節(jié)都有較大幅度的減少;強(qiáng)力提高了10%;毛羽有較大幅度的減少。因此，全聚紡紗線較環(huán)錠紡紗線的成紗品質(zhì)有較大幅度的提升。分析比較集聚區(qū)的流速分布圖可知，Y軸流速對纖維須條具有明顯的集聚作用，尤其是在集聚中區(qū)，從而使得須條寬度變小，減小加捻三角區(qū)，改善成紗品質(zhì)。2)全聚紡紗線較環(huán)錠紡紗線的短毛羽減少了20% ～50%，3mm及以上的有害長毛羽減少了75% ～90%，因此，全聚紡在大幅消除有害毛羽的同時，保留了部分有益毛羽。分析比較集聚區(qū)的流速分布圖可知，在集聚前區(qū)X軸流速與須條運(yùn)動方向相反，吹亂須條表面的纖維，使得全聚紡紗線保留了部分的短毛羽。而X軸流速在集聚中區(qū)和集聚后區(qū)輔助須條的輸出，從而減少有害長毛羽。3)全聚紡紗線較環(huán)錠紡紗線條干的CV值和強(qiáng)力CV值分別提高了11.8%、50%。從流速分布圖中可以看到，Z軸流速在集聚前區(qū)和集聚后區(qū)的控制力較強(qiáng)，在集聚中區(qū)的控制力較弱，使得須條在沒有橫向集聚時，表面的毛羽得到良好的控制，對紗線性能的改善起到了輔助性作用。

表1 紗線性能測試結(jié)果Tab.1 Test results of yarn properties

4 結(jié)論

本文通過全聚紡集聚區(qū)內(nèi)流速分布的數(shù)值模擬和紡紗實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析，得出以下結(jié)論:

1)集聚區(qū)的X軸流速對于纖維須條起到輔助集聚作用。集聚前區(qū)X軸流速與須條運(yùn)動方向相反，使得全聚紡的紗線保留了部分的短毛羽;集聚中區(qū)和集聚后區(qū)的X軸流速在輔助須條輸出的同時可有效減少有害長毛羽。

2)Y軸流速對纖維須條起到直接集聚作用。其中集聚中區(qū)的流速最大，是產(chǎn)生集聚效果的主要區(qū)域;而集聚前區(qū)和集聚后區(qū)的Y軸流速較小，為輔助集聚區(qū)。集聚區(qū)的Y軸流速對成紗質(zhì)量的提高起到了決定性的作用，大幅提高成紗強(qiáng)力，減少成紗毛羽。

3)Z軸流速可加強(qiáng)對須條的控制作用，主要集中在集聚前區(qū)和集聚后區(qū)，可使纖維緊貼在羅拉表面繼而保持須條在集聚過程中更加穩(wěn)定，起到輔助集聚作用。

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Numerical simulation on airflow field in complete condensing spinning system using finit element method

LIU Xiaoyan，LIU Xinjin，LIU Na，LU Ru
(Key Laboratory of Eco-Textiles(Jiangnan University)，Ministry of Education，Wuxi，Jiangsu 214122，China)

The numerical simulation of three-dimensional flow field in the condensing zone for compact spinning with groovy drum was obtained by using FLOTRAN CFD module in ANSYS.The flow field distribution of the condensing zone was given，and the compacting principle of compact spinning with groovy drum was explained.And then，in combination with cotton yarn experiments of ring spinning and compact spinning with groovy drum，the influence of the flow field distribution of compact spinning with groovy drum on cotton yarn qualities was analyzed.The results show that compact spinning with groovy drum is benefit for improving yarn evenness and strength，while retaining beneficial hairiness while reducing yarn harmful hairiness.

FEM;compact spinning;flow field;condensing

TS 112.2

A

10.13475/j.fzxb.20140303306

2014－03－15

2014－07－29

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(11102072);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012254)

劉曉艷(1989—)，女，碩士生。研究方向?yàn)橛邢拊诩徏喼械膽?yīng)用。劉新金，通信作者，E-mail:liuxinjin2006@163.com。