導(dǎo)流板對(duì)氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)影響的數(shù)值分析

曲欣華　王彩華

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導(dǎo)流板對(duì)氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)影響的數(shù)值分析

曲欣華王彩華

浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院(中國(guó))

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，分別在包括與不包括導(dǎo)流板兩種情況下，模擬了氣流在氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，并依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析了導(dǎo)流板對(duì)纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)的影響。模擬結(jié)果顯示：纖維集聚裝置中包括導(dǎo)流板時(shí)，可使纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流以平行于支撐纖維須叢的弧形壁面的流動(dòng)態(tài)勢(shì)向氣流吸聚槽流動(dòng)，且氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域氣流的流動(dòng)速度更高，流動(dòng)速度的差異更大，氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向氣流吸聚槽的氣流更容易匯聚于一點(diǎn)，且該氣流匯聚點(diǎn)更靠近氣流吸聚槽的一側(cè)邊緣。

氣動(dòng)式集聚紡紗； 纖維集聚區(qū)； 導(dǎo)流板； 氣流流動(dòng)狀態(tài)

氣動(dòng)式集聚紡紗技術(shù)是在傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗的牽伸鉗口線下游加裝一套氣動(dòng)式纖維集聚裝置而形成的新型紡紗技術(shù)。在氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚區(qū)內(nèi)可形成由纖維集聚區(qū)左右兩側(cè)區(qū)域向中間區(qū)域流動(dòng)的氣流，利用該氣流可使由牽伸鉗口線輸出的一定寬度的帶狀纖維須叢被集聚成橫向?qū)挾雀睦w維須叢后，經(jīng)阻捻鉗口線進(jìn)入加捻區(qū)加捻成紗[1-3]，使所紡制紗線的毛羽更少。

采用氣動(dòng)式集聚紡紗技術(shù)紡制的紗線毛羽取決于纖維集聚區(qū)內(nèi)形成的氣流流動(dòng)狀態(tài)是否有利于纖維集聚。很多參數(shù)可改變氣流在纖維集聚區(qū)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，例如：氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置是否包括導(dǎo)流板(因在纖維集聚裝置中包括導(dǎo)流板時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的參數(shù)——纖維集聚區(qū)高度)，以及氣流吸聚槽的結(jié)構(gòu)及規(guī)格尺寸等[4-6]。

本文基于Rieter公司的氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚裝置——comfortspin，在包括與不包括導(dǎo)流板兩種情況下構(gòu)建了包含纖維集聚區(qū)的三維空間模型，并采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件模擬了氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)的氣流流動(dòng)狀態(tài)；依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果探討導(dǎo)流板對(duì)氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)的影響。

1　氣流吸聚槽

comfortspin中的氣流吸聚插件上開(kāi)有氣流吸聚槽，該氣流吸聚槽的結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣流吸聚槽7由斜槽段與直槽段連接而成，斜槽段起始于牽伸鉗口線5，直槽段終止于阻捻鉗口線6。本研究選取的氣流吸聚槽的斜槽段設(shè)置為自牽伸鉗口線5由氣流吸聚插件的中線8向左側(cè)傾斜，且氣流吸聚槽的規(guī)格尺寸取自實(shí)際生產(chǎn)所采用的規(guī)格尺寸[7-9]。

5—牽伸鉗口線；6—阻捻鉗口線；7—?dú)饬魑鄄郏?—?dú)饬魑鄄寮闹芯€圖1　氣流吸聚槽結(jié)構(gòu)及規(guī)格尺寸

2　構(gòu)建用于數(shù)值模擬的三維模型

圖2所示為基于comfortspin并包括導(dǎo)流板構(gòu)建的用于數(shù)值模擬的三維模型，其中導(dǎo)流板3為弧形壁面，以平行于纖維集聚區(qū)內(nèi)支撐纖維須叢輸運(yùn)的弧形壁面狀態(tài)，安裝于牽伸皮輥1與阻捻皮輥2之間，牽伸皮輥1、阻捻皮輥2、氣流集聚插件4及導(dǎo)流板3共同圍成的三維空間為纖維集聚區(qū)。在圖2所示三維模型的基礎(chǔ)上去掉導(dǎo)流板3即為不包括導(dǎo)流板構(gòu)建的三維模型，由牽伸皮輥1、阻捻皮輥2及氣流集聚插件4共同圍成的三維空間為纖維集聚區(qū)。在包括及不包括導(dǎo)流板的兩組數(shù)值模擬中，氣流吸聚插件4的半徑(R1)、牽伸皮輥1的半徑(R2)和阻捻皮輥2的半徑(R3)分別設(shè)置為30、12和12 mm；導(dǎo)流板3至氣流吸聚插件4的距離設(shè)置為1 mm；氣流吸聚槽7處的氣流負(fù)壓(P)為2 000 Pa，為避免因數(shù)值模擬方法對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生的影響，數(shù)值模擬中流體流動(dòng)模型均采用湍流模型。

1—牽伸皮輥； 2—阻捻皮輥；3—導(dǎo)流板；4—?dú)饬魑鄄寮?—牽伸鉗口線；6—阻捻鉗口線；7—?dú)饬魑鄄蹐D2　包括導(dǎo)流板構(gòu)建的用于數(shù)值模擬的三維模型

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)的方向與速度是影響纖維集聚效果的兩大主要因素，因此本研究基于氣流在模擬區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)速度矢量分布及流動(dòng)速度分布，分析導(dǎo)流板對(duì)氣動(dòng)式集聚紡紗纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)的影響。

3.1氣流在模擬區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)速度矢量分布

基于數(shù)值模擬結(jié)果，分別在垂直于導(dǎo)流板所在弧面且平行于牽伸鉗口線與阻捻鉗口線的平面上、在氣流吸聚槽所在的弧面上，以及在導(dǎo)流板上、下表面上，獲得了氣流流動(dòng)速度矢量分布(圖3～圖5)。

由圖3(a)可知，當(dāng)氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置不包括導(dǎo)流板時(shí)，由于牽伸皮輥、阻捻皮輥和氣流集聚插件共同圍成的纖維集聚區(qū)上方空間完全打開(kāi)，纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流自氣流吸聚槽左側(cè)壁面至右側(cè)壁面圍繞氣流吸聚槽呈180°角分布態(tài)勢(shì)流向氣流吸聚槽。由圖4(a)可知，由于氣流吸聚槽斜槽段的入口寬度較大，流向氣流吸聚槽的氣流不匯聚于一點(diǎn)，而是沿斜槽槽口直接流出纖維集聚區(qū)；隨著氣流吸聚槽槽口寬度逐漸變小，流向氣流吸聚槽的氣流在氣流吸聚槽的直槽段已可形成明顯的氣流匯聚點(diǎn)，且氣流匯聚點(diǎn)落在氣流吸聚槽直槽段的中線位置，并由此點(diǎn)流出纖維集聚區(qū)。

由圖3(b)可知，當(dāng)氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置包括導(dǎo)流板時(shí)，由于導(dǎo)流板的導(dǎo)向作用，纖維集聚區(qū)左、右兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的氣流以基本平行于導(dǎo)流板壁面的流動(dòng)態(tài)勢(shì)向氣流吸聚槽方向流動(dòng)。由圖4(b)和圖5(a)可知，盡管氣流吸聚槽斜槽段的槽口較寬，氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向氣流吸聚槽的氣流并沒(méi)有沿斜槽槽口直接流出纖維集聚區(qū)，而是匯聚于氣流吸聚槽的某一位置，并由該位置流出纖維集聚區(qū)。由于氣流吸聚槽的斜槽段呈向左傾斜配置，因而氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向氣流吸聚槽的氣流匯聚在更靠近氣流吸聚槽斜槽段的右側(cè)邊緣，且在氣流吸聚槽斜槽段與直槽段的連接處，氣流基本匯聚于氣流吸聚槽斜槽段的右側(cè)邊緣，在氣流吸聚槽的直槽段，由氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向氣流吸聚槽的氣流也匯聚于氣流吸聚槽直槽段的右側(cè)邊緣。由圖5(b)可知，由于導(dǎo)流板的阻擋作用，來(lái)自纖維集聚區(qū)上方區(qū)域的氣流沿導(dǎo)流板上表面流向?qū)Я靼迮c牽伸皮輥、導(dǎo)流板與阻捻皮輥的間隙，并由此間隙流入纖維集聚區(qū)內(nèi)，由于這部分氣流的流向與纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流的流向不一致，必將擾動(dòng)纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)，不利于纖維須叢發(fā)生有效集聚。在紡紗工程中，可通過(guò)適當(dāng)增加導(dǎo)流板至氣流吸聚插件間距的方式避免導(dǎo)流板對(duì)纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)產(chǎn)生過(guò)大擾動(dòng)。

(a) 不包括導(dǎo)流板　　　　(b) 包括導(dǎo)流板

(a) 不包括導(dǎo)流板　　　　(b) 包括導(dǎo)流板

(a) 下表面　　　　(b) 上表面

3.2氣流在纖維集聚區(qū)內(nèi)的流動(dòng)速度分布

在纖維集聚區(qū)內(nèi)，僅利用靠近支撐纖維須叢輸運(yùn)的支撐壁面的氣流流動(dòng)來(lái)推動(dòng)纖維在該支撐壁面上滑移，使進(jìn)入纖維集聚區(qū)的一定寬度的帶狀纖維須叢被集聚成寬度更小的纖維須叢，所以本研究主要關(guān)注的是氣流吸聚槽左、右兩側(cè)邊緣處的氣流流動(dòng)速度分布。

由圖6可知，氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置不包括導(dǎo)流板時(shí)，氣流吸聚槽左、右兩側(cè)的氣流的流動(dòng)速度，自牽伸鉗口線沿纖維須叢走向迅速增加到較高值，而后迅速降低至較低值，并在接近阻捻鉗口線處再次迅速增加到較高值；當(dāng)氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置包括導(dǎo)流板時(shí)，氣流吸聚槽右側(cè)氣流的流動(dòng)速度，自牽伸鉗口線沿纖維須叢走向迅速增加到較高值，而后相對(duì)較緩慢地降至較低值，并在接近阻捻鉗口線時(shí)再次迅速增加至較高值；而氣流吸聚槽左側(cè)氣流的流動(dòng)速度，自牽伸鉗口線迅速增加至較高值，直到接近阻捻鉗口線時(shí)才迅速降至較低值。

由圖6還可知，氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置不包括導(dǎo)流板時(shí)，在氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域內(nèi)任意兩個(gè)左、右空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)，氣流流動(dòng)速度基本相等，由此解釋了在氣流吸聚槽的直槽段，氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向氣流吸聚槽的氣流匯聚于該槽段中線位置的成因。氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置包括異流板時(shí)，對(duì)于氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域內(nèi)任意兩個(gè)左、右空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)，左側(cè)區(qū)域的氣流流動(dòng)速度明顯高于右側(cè)區(qū)域的氣流流動(dòng)速度，且沿纖維須叢走向，左側(cè)區(qū)域與右側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)點(diǎn)的氣流流動(dòng)速度的差異越來(lái)越大，由此解釋了氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置包含導(dǎo)流板時(shí)，由氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向纖維集聚槽的氣流匯聚于更靠近氣流吸聚槽右側(cè)邊緣位置的成因。

圖6　氣流吸聚槽左、右兩側(cè)邊緣處的氣流流動(dòng)速度分布

4　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)纖維集聚區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)速度矢量分布及流動(dòng)速度分布的分析結(jié)果可知，當(dāng)氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置不包括導(dǎo)流板時(shí)，在氣流吸聚槽的左、右兩側(cè)，盡管氣流以平行于支撐纖維須叢輸運(yùn)的支撐壁面的流動(dòng)態(tài)勢(shì)流向氣流吸聚槽，在紡紗加工中可利用該部分氣流的流動(dòng)使一定寬度的纖維須叢發(fā)生集聚，但在動(dòng)力消耗相同的情況下，由氣流吸聚槽左、右兩側(cè)流向氣流吸聚槽的氣流的流動(dòng)速度小，且由氣流吸聚槽左、右兩側(cè)流向氣流吸聚槽的氣流在氣流吸聚槽處的匯聚寬度較大，因而利用該纖維集聚裝置使一定寬度的纖維須叢發(fā)生集聚的集聚效果較差，采用該纖維集聚裝置紡紗時(shí)紗線的毛羽降低較小。當(dāng)氣動(dòng)式集聚紡紗的纖維集聚裝置包括導(dǎo)流板時(shí)，可使氣流吸聚槽左、右兩側(cè)的氣流以平行于導(dǎo)流板壁面的流動(dòng)態(tài)勢(shì)流向氣流吸聚槽，且在動(dòng)力消耗相同的情況下，氣流在氣流吸聚槽左、右兩側(cè)的流動(dòng)速度更大，氣流吸聚槽左、右兩側(cè)區(qū)域流向氣流吸聚槽的氣流的流動(dòng)速度差異大，使來(lái)自氣流吸聚槽左、右兩側(cè)的氣流更容易匯聚于一點(diǎn)，因而利用該纖維集聚裝置使一定寬度的纖維須叢發(fā)生集聚的集聚效果較好，采用該纖維集聚裝置紡制的紗線的毛羽必然會(huì)更少。

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Simulation analysis of effect of guide plate on air flowing pattern inside fiber condensing zone of pneumatic compact spinning

Qu Xinhua,Wang Caihua

College of Material and Textile，Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou/China

A CFD software was employed to simulate air flowing pattern inside fiber condensing zone of pneumatic compact spinning with or without guide plate,and according to simulation results,the effect of the guide plate on air flow pattern inside fiber condensing zone was analyzed.The simulation results indicated that air inside fiber condensing zone flows to suction slot in parallel to the arc supporting fiber strand if a guide plate was incorporated in fiber condensing unit,and air flow velocity was larger at any point in right and left zone of suction slot,and air flow velocity difference between right and left zone of suction slot was greater,so that air flowing to suction slot from the right zone and left zone of suction slot was easy to converge at one point,which was closer to the other side of suction slot.

pneumatic compact spinning; fiber condensing zone; guide plate; air flowing pattern