旋流噴嘴對不同線密度紗線的作用機(jī)制

晏 江， 邱 華， 李永貴

(1. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 紡織服裝福建省高校工程研究中心(閩江學(xué)院)， 福建 福州 350108)

紗線毛羽是影響紗線及織物質(zhì)量的重要因素。一直以來，致力于減少紗線毛羽的研究層出不窮，例如集聚紡[1-2]、環(huán)錠噴氣紡[3]以及其他的新型減羽方法[4]。旋流噴嘴紡紗技術(shù)是近年來提出的一種減少環(huán)錠紗毛羽的新型紡紗方法[5]。旋流噴嘴由順時針相切的1個氣道與1個紗道組成，將其直接安裝于環(huán)錠細(xì)紗機(jī)前羅拉與導(dǎo)紗鉤之間，保證紗道傾斜度與前羅拉和導(dǎo)紗鉤連線的傾斜度一致，避免摩擦紗線。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低等優(yōu)點。

前期研究發(fā)現(xiàn)，旋流噴嘴對紗線減羽效果顯著[6-7]。旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計及紡紗參數(shù)設(shè)置對紗線性能具有一定影響，以往的研究對噴嘴的氣道位置[8]、氣道直徑[9]、截面形狀[10]等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并研究了紡紗參數(shù)如捻系數(shù)、氣壓[11]、紗線線密度[12]等的影響。在旋流噴嘴的最優(yōu)結(jié)構(gòu)下，即紗道和氣道直徑、位置等參數(shù)確定，旋流噴嘴對于不同線密度紗線的作用是不同的，僅通過紡紗試驗的方法耗時耗力，且無法了解其中作用機(jī)制，因此，本文借助流體力學(xué)模擬軟件CFD探究旋流噴嘴對不同線密度紗線的作用，再結(jié)合理論分析與試驗方法，以探究其影響機(jī)制。

1 數(shù)值計算

計算流體力學(xué)軟件已廣泛地應(yīng)用于紡織領(lǐng)域相關(guān)問題研究[13-15]，可克服試驗方法耗時耗力的缺點。將數(shù)值模擬方法與理論分析、試驗操作相結(jié)合，可更加直觀、方便地了解其中作用機(jī)制。

1.1 建 模

借助計算流體軟件CFD對旋流噴嘴內(nèi)部氣流特征進(jìn)行研究，所構(gòu)建的氣體流域模型如圖1所示，圖中氣流入口、紗線入口及紗線出口處的箭頭表示氣流運(yùn)動方向，由于紗道兩端為開放式，因此紗道中不僅有流出的壓縮空氣，還有外界空氣的流入。氣道直徑為1.4 mm，長度為5 mm，紗道直徑為2 mm，長度為21 mm，氣流入口距紗線入口距離為14 mm。從紗線入口方向看，氣道與紗道順時針相切。

圖1 旋流噴嘴氣流流域Fig.1 Fluid domain of swirl nozzle

1.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)置包括邊界位置和邊界信息的設(shè)置，其合理與否會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。該噴嘴模型所需設(shè)置的邊界條件包括氣流入口壓強(qiáng)(Pin)、入口溫度(tin)及入口速度(vin)，其計算方法[16]如下。

Pin=0.528(p+0.101 3)

(1)

tin=0.833t

(2)

(3)

式中：p為儲氣罐壓強(qiáng)，選取0.2 MPa[6]；t為大氣溫度，20 ℃；γ為比熱容(對于理想氣體，γ=1.4)；R為空氣氣體常數(shù)，287 m2/(s2·K)。出口壓強(qiáng)等于外界大氣壓(設(shè)為0.101 3 MPa)。另外，旋流器壁面采用絕熱無滑移的邊界條件。本文主要研究紗線表面所受壓強(qiáng)和氣流速度作用大小，不考慮纖維變形及在紗道中的運(yùn)動，故假設(shè)紗線為結(jié)構(gòu)鋼，位于紗道中心位置，內(nèi)部無氣流通過，直徑分別設(shè)置為0.12 mm(10 tex)、0.17 mm(20 tex)、0.208 mm(30 tex)、0.240 mm(40 tex)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣流作用

旋流噴嘴減羽作用的發(fā)揮是通過其特殊結(jié)構(gòu)中氣流的特征所決定的。壓縮空氣從氣道進(jìn)入紗道時呈螺旋狀分別向紗道入口和出口2個方向運(yùn)動，如圖2所示。

圖2 旋流噴嘴內(nèi)部氣流跡線Fig.2 Flow trajectories in swirl nozzle

從圖2可看出，無論氣流向紗道入口還是向紗道出口運(yùn)動，其速度方向均為順時針。對于向紗線入口運(yùn)動的部分氣流，其順時針向上運(yùn)動，氣流旋轉(zhuǎn)方向與紗線加捻方向(Z捻)相反，故對紗線起到了一定程度的開松與解捻作用，稱為解捻區(qū)；另一方面，向上運(yùn)動的氣流對紗線表面的順毛羽也具有一定程度的貼伏作用；對于向紗線出口運(yùn)動的部分氣流，其順時針向下運(yùn)動，氣流旋轉(zhuǎn)方向與紗線加捻方向相同，對紗線表面毛羽起到包裹與再加捻的作用，稱為加捻區(qū)；并且向下運(yùn)動的氣流對紗線表面的逆向毛羽具有貼伏作用。解捻區(qū)和加捻區(qū)的共同作用使得紗線表面有害毛羽數(shù)量大大減少，改善了紗線結(jié)構(gòu)。

注：單位mm。圖4 不同氣流壓強(qiáng)作用下紗道不同橫截面上的壓強(qiáng)分布Fig.4 Pressure distributions in various sections under different inlet pressures

2.2 紗線受力

由于解捻區(qū)氣流運(yùn)動與加捻區(qū)不同，因此紗線的受力需分開討論。圖3示出不同氣流條件下紗線的受力情況。

圖3 不同氣流條件下紗線的受力圖Fig.3 Force of yarn under different airflow conditions

在解捻區(qū)，紗線表面毛羽受力：

FT=F+Fr

(4)

(5)

在加捻區(qū)，紗線表面毛羽受力：

(6)

(7)

2.3 旋流噴嘴對不同線密度紗線影響

紗線表面毛羽所受到的包裹力與紗線表面所承受的壓強(qiáng)密切相關(guān)。對于不同線密度的紗線，其表面壓強(qiáng)分布明顯不同。氣流的旋轉(zhuǎn)作用使得紗線表面高低壓交錯，也正是因為這種壓差的存在使得紗線表面毛羽受力被貼伏在紗線表面。為更直觀地了解紗線表面的壓強(qiáng)分布，觀察并對比分析了紗道上不同橫截面上的壓強(qiáng)分布，結(jié)果如圖4所示?？煽闯?，對于相同線密度紗線來說，氣流入口兩邊橫截面的壓強(qiáng)分布規(guī)律相似，由于解捻區(qū)較長，因此解捻區(qū)的作用時間更持久。在紗道截面上，靠近管壁的壓強(qiáng)大于紗道中心壓強(qiáng)，所產(chǎn)生的壓差有利于氣流包裹紗線表面毛羽。20 tex紗線周圍的高壓區(qū)域較多，幾乎整個紗道內(nèi)都存在管壁與紗道軸心的壓差，這表明氣流旋轉(zhuǎn)作用較強(qiáng)，包裹力較強(qiáng)，10 tex紗線所受壓強(qiáng)作用稍弱于20 tex。隨著線密度增大，高壓區(qū)減少，壓差越來越弱，在線密度為40 tex的紗線表面，接近紗道兩邊出口的壓強(qiáng)作用減弱，幾乎不存在壓差，這就縮短了氣流對紗線毛羽的作用時間，其減羽作用也就越弱。

氣流對紗線的減羽效果由其包裹力決定，而包裹力實為x、y、z3個方向合力作用的結(jié)果，根據(jù)牛頓第二定律，時間相等的條件下，各分力大小與各向速度密切相關(guān)，從而影響包裹作用強(qiáng)度。截取紗線表面上下左右4條線，如圖5所示。通過對比不同線密度紗線表面這4條線上3個方向的速度，來分析氣流對紗線的作用力大小。

圖5 紗線表面選取的4條線位置Fig.5 Positions of four lines selected from yarn surface

氣流沿x方向所產(chǎn)生的軸向力對毛羽具有伸直和貼伏在紗線表面的作用。圖6示出不同線密度條件下所選取的4條線上沿x軸向速度分布?？煽闯?，對于不同線密度而言，4條線上的軸向速度分布趨勢基本一致，在氣流入口處速度迅速增加，氣流迅速向紗道兩邊出口運(yùn)動，隨著氣流在紗道中的擴(kuò)散，速度逐漸減小并趨于平緩。對于不同線密度紗線來說，氣流軸向速度值差異不大。

氣流沿y、z軸向所產(chǎn)生的作用力在解捻區(qū)對紗線起開松和包裹順向毛羽的作用，在加捻區(qū)對紗線起旋轉(zhuǎn)和包裹紗線毛羽的作用。圖7示出不同線密度條件下所選取的4條線上沿y軸向速度分布。線段1 的y軸向速度在氣流入口處較大，隨后趨于平緩，線段2在氣流入口處附近速度波動較大，之后變化較小，不同線密度間的速度差異均不明顯。對于線段3 和線段4，在氣流入口處y軸向速度較大，之后逐漸變小，線段4 的速度起伏稍大于線段3，這是由于氣道直徑小于紗道直徑且相切于紗道，使得紗線兩側(cè)所受到的氣流作用存在差異。線密度越小的紗線所呈現(xiàn)的y軸向速度起伏稍大。

圖6 不同氣流壓強(qiáng)作用下紗線表面4條線上沿x軸向速度分布Fig.6 Velocity distribution along x axis of line 1(a), line 2(b), line 3(c), and line 4(d) located on surfaces of yarns with different linear densities

圖7 不同氣流壓強(qiáng)作用下紗線表面4條線上沿y軸向速度分布Fig.7 Velocity distribution along y axis of line 1(a),line 2(b),line 3(c) and line 4(d)located on surface yarns with different linear densities

不同線密度紗線表面選取的4條線沿z軸方向速度分布如圖8所示。對于線段1，速度在氣流入口處較小，隨后呈現(xiàn)先增加再降低而后再增加的趨勢，因為旋轉(zhuǎn)氣流的特點是接近管壁速度變大，接近紗道軸心速度減小。線段2的趨勢與線段1類似，速度均呈現(xiàn)高低起伏變化趨勢，變化幅度大于線段1。線段3和線段4的變化趨勢相似，均是在氣流入口處速度呈現(xiàn)最大值，只是方向不同，而后減小并趨于平緩。對于不同線密度的紗線而言，紗線直徑越小，沿z軸向速度波動越大，線段1和線段2較為明顯。也正是因為較大的速度和速度差才使得對毛羽的包裹作用更強(qiáng)。

圖8 不同氣流壓強(qiáng)作用下紗線表面4條線上沿z軸向速度分布Fig.8 Velocity distribution along z axis of line 1(a),line 2(b),line 3(c) and line 4(d)located on surfaces of yarns with different linearity densities

3 驗證試驗

3.1 原料及試驗參數(shù)

由于棉、麻等天然纖維原料紡紗存在較多的毛羽，因此選擇對大麻/棉(40/60)混紡紗分別進(jìn)行普通環(huán)錠紡與旋流噴嘴紡細(xì)紗試驗，旋流噴嘴紡紗壓強(qiáng)設(shè)置為0.2 MPa，捻系數(shù)為430～470，紗線線密度為10、20、30、40 tex，錠速設(shè)置為9 000 r/min。

3.2 毛羽測試條件

采用YG172 A型長嶺紗線毛羽測試儀，參照FZ/T 01086—2000 《紡織品毛羽測定方法 投影計數(shù)法》進(jìn)行測試。測試速度為30 m/min，片段長度為10 m，測試5管，每管5組。測試溫度為19 ℃，相對濕度為50%。

3.3 結(jié)果與討論

毛羽指數(shù)表示10 m片段長度內(nèi)長度大于3 mm的毛羽根數(shù)，圖9示出不同線密度的普通環(huán)錠紡紗線與使用旋流噴嘴所紡紗線的毛羽指數(shù)的測試結(jié)果。可看出，相比于普通環(huán)錠紡紗線，旋流噴嘴對各個線密度紗線的毛羽指數(shù)減少都很明顯，特別是對于線密度較小的紗線，其中對20 tex紗線的毛羽減少率達(dá)到了87.6%，對10 tex紗線的毛羽減少率達(dá)到了85.7%，對30 tex和40 tex紗線的毛羽減少率分別為81.3%和73.1%。試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖9 旋流噴嘴對不同線密度紗線的毛羽指數(shù)影響Fig.9 Variation of hairiness of different linear densities with swirl nozzle

4 結(jié) 論

借助CFD軟件研究了旋流噴嘴對不同線密度紗線的減羽機(jī)制，旋流噴嘴內(nèi)的氣流特性是減羽的直接原因，也正是由于噴嘴內(nèi)氣流的分布特性，使得對于不同細(xì)度紗線的減羽效果不同。所得出的主要結(jié)論如下。

1)數(shù)值模擬體現(xiàn)了旋流噴嘴內(nèi)的渦流特性，壓縮氣流進(jìn)入紗道后，一部分氣流朝紗線入口方向順時針旋轉(zhuǎn)，貼伏了大部分順向毛羽；另一部分氣流朝紗線出口方向順時針旋流，貼伏了小部分逆向毛羽。

2)紗線表面毛羽主要受到氣流的包裹力和由于紗線自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的相對包裹力。向紗線入口方向運(yùn)動的氣流其旋轉(zhuǎn)方向與紗線捻向相反，故對紗線起到開松、解捻和伸直毛羽的作用；向紗線出口運(yùn)動的氣流其旋轉(zhuǎn)方向與紗線捻向相同，故對紗線起到再加捻的作用。二者相互配合共同減少紗線毛羽。

3)由于氣流的旋轉(zhuǎn)特性，管壁附近的壓強(qiáng)高于紗道軸線附近，因此對于不同細(xì)度的紗線而言，其表面所處在渦流中的壓強(qiáng)分布也不同，故受到的氣流包裹力也不同。模擬結(jié)果表明，紗線線密度較小，其表面受到的壓強(qiáng)分布越大越密集，x、y、z各向速度波動相對較大，這有利于減羽作用的有效發(fā)揮，其中20 tex紗線表面的壓強(qiáng)和速度分布情況優(yōu)于其他線密度紗線，10 tex次之。

4)通過紡紗試驗得出結(jié)論，旋流噴嘴壓強(qiáng)在0.2 MPa時，對20 tex大麻/棉(40/60)的減羽效果優(yōu)于10、30、40 tex的，達(dá)到了87.6%，驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果。

[1] STALDER H, RUSCH A. Compact spinning wins market acceptance [J]. International Textile Bulle-tin(English Edition), 2002, 48(1): 42-43.

[2] CHENG K P S, YU C. A study of compact spun yarns [J]. Textile Research Journal, 2003, 73(4): 345-349.

[3] CHENG K P S, LI C H L. Jet ring spinning and its influence on yarn hairiness [J]. Textile Research Journal, 2002, 72(12): 1079-1087.

[4] XIA Z, XU W, ZHANG M, et al. Reducing ring spun yarn hairiness via spinning with a contact surface[J]. Fibers and Polymers, 2012, 13(5): 670-674.

[5] QIU H, ZHANG Y, XU Z L, et al. A novel method to reduce hairiness level of ring spun yarn [J]. Fibers and Polymers, 2012, 13(1): 104-109.

[6] 邱華,付玉葉,劉園園,等.環(huán)錠旋流噴嘴紡紗線的性能及其織物風(fēng)格[J].紡織學(xué)報, 2015, 36(1): 30-34.

QIU Hua, FU Yuye, LIU Yuanyuan, et al. Research on fabric style and yarn property made from ring swirl nozzle spinning method [J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(1): 30-34.

[7] 牟俊玲, 邱華, 葛明橋. 旋流器對環(huán)錠紡紗線性能的影響[J]. 紡織學(xué)報, 2009, 30(11): 43-47.

MOU Junling, QIU Hua, GE Mingqiao. Influence of cyclone setting on yarn properties [J]. Journal of Textile Research, 2009, 30(11): 43-47.

[8] 陳娜, 吳敏, 邱華, 等. 應(yīng)用 STAR-CCM+ 的旋流噴嘴內(nèi)部三維流場數(shù)值模擬與分析[J]. 紡織學(xué)報, 2014, 35(12): 142-147.

CHEN Na, WU Min, QIU Hua, et al. Study on airflow in the process of short fiber spinning [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(12): 142-147

[9] 邱華, 付玉葉, 欒巧麗. 旋流噴嘴氣道配置對環(huán)錠細(xì)紗性能的影響[J]. 紡織學(xué)報, 2014, 35(11): 40-46.

QIU Hua, FU Yuye, LUAN Qiaoli. Effect of different swirl nozzle airway structures on performance of ring-spun yarn. [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(11): 40-46.

[10] 張英姿, 邱華, 吳敏, 等. 旋流器紗道截面形狀對環(huán)錠紡紗線質(zhì)量的影響[J]. 紡織學(xué)報, 2011, 32(7): 137-141.

ZHANG Yingzi, QIU Hua, WU Min, et al. Effect of yarn trajectory cross-sectional shape of cyclone on yarn properties [J]. Journal of Textile Research, 2011, 32(7): 137-141.

[11] 邱華, 劉圓圓, 石杰. 利用渦流噴嘴改善環(huán)錠紗質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 上海紡織科技, 2012 (6): 7-9.

QIU Hua, LIU Yuanyuan, SHI Jie. Optimization of process parameters to improve spun yarn quality by use of swirling nozzle [J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2012 (6): 7-9.

[12] 石杰, 邱華, 葛明橋. 旋流器對環(huán)錠紡不同線密度紗線性能的影響[J]. 紡織學(xué)報, 2012, 33(12): 25-29.

SHI Jie, QIU Hua, GE Mingqiao. Effects of cyclone on properties of ring spun yarns with different linear densities [J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(12): 25-29.

[13] RENGASAM R S, PATANAIK A, ANANDJIWALA R D. Simulation of airflow in nozzle-ring spinning using computational fluid dynamics: study on reduction in yarn hairiness and the role of air drag forces and angle of impact of air current [J]. Textile Research Journal, 2008, 78(5): 412-420.

[14] RENGASAMY R S, KOTHARI V K, PATNAIK A, et al. Airflow simulation in nozzle for hairiness reduction of ring spun yarns: part I: influence of airflow direction, nozzle distance, and air pressure [J]. Journal of the Textile Institute, 2006, 97(1): 89-96.

[15] HAN C, XUE W, CHENG L. Theoretical analysis on the yarn twist mechanism of self-twist jet vortex spinning[J]. Textile Research Journal, 2016, 86(9): 911-918.

[16] ANDERSON J D, WENDT J. Computational Fluid Dynamics [M]. New York: McGraw-Hill, 1995: 40-44.