基于螺旋導(dǎo)引槽空心錠子的噴氣渦流紡加捻腔流場(chǎng)模擬

閆琳琳， 鄒專(zhuān)勇， 衛(wèi) 國(guó)， 程隆棣

(1. 紹興文理學(xué)院 浙江省清潔染整技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 紹興 312000； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 3. 百隆東方股份有限公司， 浙江 寧波 315206)

噴氣渦流紡技術(shù)作為一種借助高速氣流加捻成紗的新型紡紗技術(shù)，具有速度高、能耗低、毛羽少等顯著優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮螅涑杉啅?qiáng)力偏低的問(wèn)題，嚴(yán)重限制了噴氣渦流紡技術(shù)及其產(chǎn)品的發(fā)展[1-2]。加捻腔區(qū)域(由纖維導(dǎo)入元件、噴嘴和空心錠子組成)內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律對(duì)噴氣渦流紡的加捻成紗過(guò)程具有決定性的影響，但加捻腔區(qū)域復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精細(xì)和加工過(guò)程的封閉，為實(shí)驗(yàn)研究和在線檢測(cè)加捻腔內(nèi)流體規(guī)律帶來(lái)了極大的困難。隨著基于流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬方法在紡織加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為研究噴氣渦流紡加捻腔內(nèi)氣流流動(dòng)規(guī)律和深入理解成紗機(jī)制提供了有效研究手段[3]。 國(guó)內(nèi)外研究者借助數(shù)值計(jì)算方法，已掌握噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)部的氣流流動(dòng)規(guī)律，且對(duì)噴氣渦流紡的成紗機(jī)制、成紗結(jié)構(gòu)和性能有了較為深入的理解[4-6]。也有大量針對(duì)噴嘴氣壓[7-9]、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)[10-12]等對(duì)噴嘴內(nèi)部氣流流動(dòng)規(guī)律影響的研究，進(jìn)一步討論了噴嘴內(nèi)流場(chǎng)變化對(duì)噴氣渦流紡成紗結(jié)構(gòu)和性能的影響，并探索優(yōu)化成紗工藝參數(shù)的方法[13]。然而，現(xiàn)有研究鮮有從成紗機(jī)制分析出發(fā)開(kāi)展噴氣渦流紡紗線強(qiáng)力提升的探索，Han等[14]嘗試對(duì)空心錠子外表面進(jìn)行刻槽處理，通過(guò)增加自由尾端纖維與空心錠子表面的摩擦實(shí)現(xiàn)纖維繞紗尾旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，產(chǎn)生自身的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而提高纖維間的抱合力和成紗強(qiáng)力，但對(duì)空心錠子外表面簡(jiǎn)單的刻槽處理，并不能達(dá)到顯著提升噴氣渦流紡成紗強(qiáng)力的效果。為此，本文提出一種帶有螺旋導(dǎo)引槽的空心錠子的設(shè)計(jì)理念，并利用數(shù)值分析方法從理論上研究加捻腔區(qū)域和空心錠子外表面螺旋導(dǎo)引槽附近區(qū)域的流場(chǎng)特征，以闡明具有螺旋導(dǎo)引槽的空心錠子設(shè)計(jì)的科學(xué)性，并進(jìn)一步分析其對(duì)噴氣渦流紡成紗過(guò)程與性能的影響規(guī)律。

1 加捻腔三維流場(chǎng)區(qū)域模擬

1.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

基于螺旋導(dǎo)引槽的空心錠子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中顯示從空心錠子入口向下，在其外表面周向設(shè)計(jì)有螺旋角為θ的導(dǎo)引槽，且要求俯視圖中螺旋導(dǎo)引槽的曲率半徑rg為常數(shù)。螺旋角是指俯視圖中，空心錠子中心點(diǎn)與相鄰導(dǎo)引槽中心線結(jié)束點(diǎn)連線的夾角。本文選擇8條螺旋導(dǎo)引槽，導(dǎo)引槽螺旋角為45°，曲率半徑rg為2.5 mm，旋轉(zhuǎn)方向與噴孔旋向相同，導(dǎo)引槽深度d(0.08 mm≤d≤0.4 mm)由上向下逐漸加深，導(dǎo)引槽寬度L(0.1 mm≤L≤0.5 mm)從上向下逐漸加寬，由此構(gòu)建三維流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域，如圖2所示。

圖1 帶螺旋導(dǎo)引槽的空心錠子結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hollow spindle with spiral guiding grooves. (a) Three-dimensional model; (b) Top view; (c) Cross sectional view

圖2 紗線加捻成形三維流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算區(qū)域Fig.2 Three dimensional flow field of yarn formation

噴氣渦流紡的加捻腔是指噴嘴與空心錠子之間構(gòu)成的加捻區(qū)域，壓縮空氣經(jīng)噴孔釋放后在此區(qū)域形成高速旋轉(zhuǎn)氣流，流場(chǎng)視為具有湍流特征的高速、黏性、可壓縮流動(dòng)，在不考慮纖維存在時(shí)可視為定常流動(dòng)，因此，加捻腔流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算采用的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒控制方程分別如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；μi為流體沿i方向的速度分量，m/s；p為流體壓力，Pa；πij為應(yīng)力矢量；gi為沿i方向的體力分量，m/s2；Fi為由于阻力和能源而引起的其他能源項(xiàng)，Pa/m；h為焓，J/kg；km為分子傳導(dǎo)率, W/(m·K)；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率, W/(m·K)；sh為定義的體積源，W/m3；T為氣體熱力學(xué)溫度，K。

為使上述方程封閉，補(bǔ)充如式(4)所示的理想氣體狀態(tài)方程：

p=ρRT

(4)

式中：R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

由于流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，還需附加湍流輸運(yùn)方程，本文采用realizablek-ε模型，湍動(dòng)能k(m2/s2)和湍流耗散率ε(%)分別對(duì)應(yīng)的方程為：

Gκ+Gb-ρε-YM+Sκ

(5)

(6)

式中：Gκ為由于平均速度梯度引起k的產(chǎn)生項(xiàng)，無(wú)量綱單位；Gb為由于浮力引起的k的產(chǎn)生項(xiàng)，無(wú)量綱單位；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，無(wú)量綱單位；μ為分子黏性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s；S為廣義源項(xiàng)；Sκ、Sε為用戶定義的源項(xiàng)；ν為氣體運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)：C2=1.9，σκ=1.0，σε=1.2，C1ε=1.44[15]。

1.2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型數(shù)值計(jì)算

1.2.1網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)定

計(jì)算模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，為保證網(wǎng)格的高質(zhì)量，對(duì)局部較精細(xì)部位進(jìn)行精細(xì)劃分，如圖3所示。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為116 132個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為584 051個(gè)。

圖3 三維計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Grid diagram of 3-D computational domain

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，4個(gè)噴孔進(jìn)口處設(shè)為壓力入口1，該處總壓設(shè)為0.55 MPa，靜壓由式(7)計(jì)算得342 931.5 Pa；螺旋纖維進(jìn)口處設(shè)為壓力入口2，該處與大氣相通，總壓和靜壓均等于外界大氣壓。噴嘴內(nèi)壁和空心錠子外壁形成的氣流出口設(shè)置為壓力出口1，為簡(jiǎn)化計(jì)算該處氣壓可視為等于外界大氣壓；導(dǎo)紗通道出口處設(shè)為壓力出口2，由于與外界相連，該處氣壓等于外界大氣壓；其余部分設(shè)為無(wú)滑移絕熱壁面。

(7)

式中：p0為氣體總壓，Pa；ps為靜壓，Pa；M為馬赫數(shù)，取0.85；γ為氣體絕熱指數(shù)，取1.4。

1.2.2求解參數(shù)設(shè)置

近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，求解控制方程選用壓力基耦合求解器，計(jì)算通量運(yùn)用三階MUSCL離散格式，計(jì)算采用并行計(jì)算，收斂精度為10-4。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域的靜壓分布

2.1.1靜壓分布特征

加捻腔流場(chǎng)區(qū)域的靜壓分布如圖4所示。其對(duì)應(yīng)的4個(gè)代表性橫截面位置(Z分別為0.05、1.60、4.47、10.05 mm)處的靜壓分布及其沿半徑的分布規(guī)律如圖5、6所示。

圖4 計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域靜壓分布Fig.4 Distribution map of static pressure in flow field

由圖4、5可看出：噴孔入口處?kù)o壓值最大，噴嘴入口和空心錠子入口平面之間的中心區(qū)域及空心錠子入口平面下部區(qū)域存在負(fù)壓，前者有助于自由尾端纖維順利吸入噴嘴，后者有助于浮游的纖維從加捻腔順利排出，防止纖維堵塞加捻腔；由于空心錠子表面螺旋導(dǎo)引槽結(jié)構(gòu)的存在，氣流經(jīng)槽體時(shí)會(huì)在槽內(nèi)出現(xiàn)短暫的停滯，而槽體附近的氣流由于碰撞到空心錠子外壁，能量損失，靜壓值減小，使得導(dǎo)引槽內(nèi)部區(qū)域的靜壓相對(duì)導(dǎo)引槽附近區(qū)域高，這有利于將進(jìn)入導(dǎo)引槽的自由尾端纖維更好地帶離導(dǎo)引槽。

圖5 不同Z值下XY截面靜壓分布Fig.5 Distribution of static pressure in different XY cross sections

圖6 不同Z值下XY截面的靜壓沿半徑分布Fig.6 Distribution law of static pressure along radius in different XY sections. (a)At two sections above inlet of hollow spindle; (b) At two sections below inlet of hollow spindle

由圖6可看出：加捻腔中各橫截面內(nèi)靜壓沿半徑的分布情況，流場(chǎng)靜壓整體呈中間低兩邊高的U形分布。在加捻腔噴嘴入口平面到空心錠子入口平面中心區(qū)域的靜壓值較小，處于負(fù)壓狀態(tài)；周邊區(qū)域的靜壓值較大，且隨著半徑的增大靜壓值增大；這有利于纖維吸入紗尾，同時(shí)保證芯纖維的伸直平行。

2.1.2導(dǎo)引槽區(qū)域氣流靜壓分布規(guī)律

為充分掌握導(dǎo)引槽區(qū)域流場(chǎng)的靜壓分布，選擇Z=4.47 mm處XY截面其中1個(gè)螺旋導(dǎo)引槽中心線位置對(duì)應(yīng)徑向和該區(qū)域周向的靜壓進(jìn)行分析，如圖7所示。

注：A-1、A-2、A-3分別表示空心錠子導(dǎo)引槽內(nèi)0.05 mm、錠子外表面0 mm和導(dǎo)引槽外0.05 mm圓弧位置。

由圖7(a)可知，槽內(nèi)靜壓沿著槽深度方向越來(lái)越大，且大于空心錠子外壁面處的靜壓，原因是氣流經(jīng)過(guò)槽體時(shí)在槽內(nèi)出現(xiàn)短暫停滯造成，此外導(dǎo)引槽外靜壓沿著半徑方向逐漸增加，這種現(xiàn)象也可從圖5得到證實(shí)；前者有助于進(jìn)入導(dǎo)引槽的自由尾端纖維順利滑出導(dǎo)引槽，后者有助于自由尾端纖維貼服在空心錠子外表面；由圖7(b)知，導(dǎo)引槽中心位置較槽兩邊的靜壓高，這也有助于自由尾端纖維順利滑出導(dǎo)引槽。

2.2 計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域的速度分布

2.2.1速度流動(dòng)特征

加捻腔流場(chǎng)區(qū)域的速度矢量圖和流線軌跡如圖8所示。對(duì)應(yīng)的加捻腔4個(gè)橫截面位置處速度矢量如圖9所示。

圖8 計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域的速度矢量圖和流線軌跡圖Fig.8 Diagram of velocity vector (a) and streamline (b) of flow field

圖9 不同Z值下XY截面速度矢量圖Fig.9 Velocity vector chart in different XY cross sections

由圖8可看出：壓縮空氣在噴孔內(nèi)獲得加速，在噴孔出口處達(dá)到最大，經(jīng)噴孔噴出后，進(jìn)入到加捻腔內(nèi)形成高速渦流，且氣流速度迅速降低；大部分氣流經(jīng)空心錠子與噴嘴之間形成的環(huán)形區(qū)域排出，少部分從導(dǎo)紗通道排出，且速度很小。此外，空心錠子外表面的螺旋導(dǎo)引槽引導(dǎo)氣流向空心錠子與噴嘴之間形成的環(huán)形區(qū)域流動(dòng)，這有助于增強(qiáng)加捻腔中的氣流流動(dòng)特征，從而增強(qiáng)自由尾端纖維的加捻效應(yīng)，最終提升噴氣渦流紡的成紗強(qiáng)力。圖9很好展示了加捻腔截面內(nèi)的氣流呈高速旋轉(zhuǎn)的渦流狀態(tài)特征，在噴孔出口處氣流速度最大，遠(yuǎn)離噴孔出口的位置(Z=4.47 mm和Z=10.05 mm)，速度逐漸衰減的現(xiàn)象。

2.2.2加捻腔氣流流動(dòng)沿徑向分布規(guī)律

根據(jù)旋轉(zhuǎn)氣流理論，氣流場(chǎng)的流動(dòng)特征決定了氣流對(duì)纖維的作用力。加捻腔中氣流速度可分解為切向、軸向和徑向3個(gè)方向的速度分量；切向速度決定自由尾端纖維的旋轉(zhuǎn)和加捻效果，促使噴氣渦流紗外觀形成包纏結(jié)構(gòu)特征；軸向速度使自由尾端纖維倒伏在空心錠子外壁；徑向速度有助于對(duì)自由尾端纖維束起到膨脹與松懈的作用，從而獲得更多數(shù)量的包纏纖維。

加捻腔不同Z值時(shí)XY截面的氣流速度分量沿半徑方向的分布規(guī)律如圖10、11所示。

圖10 空心錠子入口以上2個(gè)XY截面處的速度沿半徑分布規(guī)律Fig.10 Velocity along radial direction in two XY cross sections above inlet of hollow spindle.

表明越靠近噴孔出口，獲得的最大切向速度越大，噴嘴中心位置及近壁區(qū)切向速度較小；沿噴嘴半徑方向，總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。較大的切向速度將有助于增強(qiáng)了自由尾端纖維的旋轉(zhuǎn)和加捻，使噴氣渦流紗的包纏結(jié)構(gòu)更加緊密；軸向速度和切向速度的變化規(guī)律整體相似，但相比切向速度較小，軸向速度易使自由尾端纖維倒伏在空心錠子外表面以更好受切向氣流作用而包纏紗尾，但同時(shí)對(duì)進(jìn)入紗尾的纖維頭端有抽拔作用，是造成落纖與紗線條干惡化的原因之一；徑向速度相對(duì)較小，且波動(dòng)較大，尤其是噴孔出口區(qū)域，這有利于自由尾端纖維束的膨脹與松懈，促使產(chǎn)生更多的包纏纖維，從而增強(qiáng)紗線的包纏效果，提升紗線成紗強(qiáng)力。

2.2.3導(dǎo)引槽附近區(qū)域氣流速度分布規(guī)律

為掌握導(dǎo)引槽附近區(qū)域的氣流速度分布，提取Z=4.47 mm處XY截面其中1個(gè)螺旋導(dǎo)引槽中心線位置對(duì)應(yīng)徑向和該區(qū)域周向速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12、13所示。

圖12 Z=4.47 mm時(shí)XY截面導(dǎo)引槽中心線位置對(duì)應(yīng)徑向的速度分布。Fig.12 Velocity along radial direction of guide groove centerline in Z=4.47 mm XY section.

注：A-1、A-2、A-3分別表示空心錠子導(dǎo)引槽內(nèi)0.05 mm、錠子外表面0 mm和導(dǎo)引槽外0.05 mm圓弧位置。

由圖12可知，導(dǎo)引槽中心線對(duì)應(yīng)徑向的氣流在切向、軸向、徑向的速度分量隨半徑的增加，均呈先上升后下降的趨勢(shì)；導(dǎo)引槽內(nèi)部區(qū)域的氣流速度均小于空心錠子近壁面流場(chǎng)區(qū)域的氣流速度，這說(shuō)明進(jìn)入導(dǎo)引槽內(nèi)部的纖維運(yùn)動(dòng)沒(méi)有空心錠子外表面的纖維運(yùn)動(dòng)劇烈，這導(dǎo)致槽內(nèi)與槽外纖維的運(yùn)動(dòng)速度存在差異，有助于包纏纖維位置的改變，實(shí)現(xiàn)紗線截面內(nèi)纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移。此外，由圖13可知，導(dǎo)引槽區(qū)域周向的氣流在切向、軸向、徑向的速度分量大小均呈先增大后減小的趨勢(shì)，導(dǎo)引槽中心線區(qū)域擁有較高的氣流速度，可由圖11得到證實(shí)，這有助于自由尾端纖維在氣流慣性作用下順利滑入導(dǎo)引槽，又在導(dǎo)引槽中心較高氣流作用下將自由尾端纖維順利帶出導(dǎo)引槽，從而確保自由尾端纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移的持續(xù)性與紡紗的順利進(jìn)行，同時(shí)自由尾端纖維滑入與滑出導(dǎo)引槽過(guò)程中因速度差、摩擦作用等引起纖維繞自身軸線翻轉(zhuǎn)，從而形成自捻效果，最終實(shí)現(xiàn)噴氣渦流紡紗線強(qiáng)力的提升。而自由尾端纖維的自捻效應(yīng)對(duì)噴氣渦流紡紗線強(qiáng)力的增強(qiáng)機(jī)制已被文獻(xiàn)[16]分析與驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

對(duì)空心錠子進(jìn)行螺旋導(dǎo)引槽的設(shè)計(jì)并未改變噴氣渦流紡加捻腔旋轉(zhuǎn)渦流的特征，僅影響導(dǎo)引槽附近區(qū)域的流場(chǎng)流動(dòng)?？招腻V子外表面的螺旋導(dǎo)引槽的存在可引導(dǎo)氣流向空心錠子與噴嘴之間形成的環(huán)形區(qū)域運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)加捻腔氣流的流動(dòng)，增強(qiáng)自由尾端纖維的加捻作用，實(shí)現(xiàn)紗線強(qiáng)力提高；同時(shí)螺旋導(dǎo)引槽內(nèi)外的氣流速度差及摩擦效應(yīng)會(huì)引起自由尾端纖維在紗線截面內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移與自捻現(xiàn)象，進(jìn)一步提升噴氣渦流紡紗線的強(qiáng)力。此外螺旋導(dǎo)引槽內(nèi)短暫停滯的較高氣壓促使進(jìn)入導(dǎo)引槽的自由纖維順利滑入與滑出導(dǎo)引槽，確保紡紗的順利進(jìn)行。