四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)三維流場(chǎng)模擬與分析

錢 成， 劉燕卿， 劉新金， 謝春萍， 徐伯俊

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

四羅拉集聚紡是在普通環(huán)錠紡基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一種新型的紡紗技術(shù)，目的是在細(xì)紗紡紗的過程中減小或消除加捻三角區(qū)，從而減少紗線的毛羽，提高成紗質(zhì)量。目前，氣流負(fù)壓式集聚紡是使用量較大的集聚紡紗形式，所以研究氣流分布的情況對(duì)于紡紗方式的改進(jìn)有很大的意義[1-2]。有研究對(duì)四羅拉緊密紡進(jìn)行流場(chǎng)模擬時(shí)認(rèn)為，吸風(fēng)槽只是在一個(gè)水平面上，從而忽略了吸風(fēng)槽斜度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在結(jié)果分析方面，只研究了吸風(fēng)槽入口處流場(chǎng)大體的分布規(guī)律，缺少對(duì)于吸風(fēng)槽流場(chǎng)分布情況更精細(xì)的研究[3-4]。所以針對(duì)靠近牽伸膠輥處的吸風(fēng)槽的寬度和斜度進(jìn)行測(cè)量，建立吸風(fēng)槽的不規(guī)則形狀模型；同時(shí)對(duì)于吸風(fēng)槽進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量并建立模型，得出吸風(fēng)槽不同寬度上的不同斜度和靠近牽伸膠輥處的不規(guī)則形狀尤為重要。本文通過構(gòu)建更精確的流體動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)流場(chǎng)的分布情況進(jìn)行研究，表征吸風(fēng)槽入口處不同位置的靜壓分布及速度分布，以便更深入地了解四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)的集聚機(jī)制。

1 流體動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)的介紹

集聚紡紗裝置就是在原有牽伸裝置的前羅拉鉗口前端加裝一個(gè)新的氣流集聚裝置，這個(gè)氣流集聚機(jī)構(gòu)主要部件由輸出羅拉、網(wǎng)格圈、輸出膠輥和負(fù)壓異型吸管組成[4-5]。輸出羅拉和輸出膠輥既構(gòu)成控制鉗口又構(gòu)成新的阻捻鉗口，輸出羅拉通過摩擦帶動(dòng)被動(dòng)的輸出膠輥，如圖1所示[6-7]。

1—輸出膠輥；2—輸出羅拉；3—異型管；4—牽伸膠輥；5—前羅拉。

本文的研究對(duì)象為無(wú)錫第七紡織機(jī)械公司生產(chǎn)的型號(hào)QFA1528的四羅拉集聚紡紗機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸出膠輥的直徑和和牽伸前膠輥的直徑均為28 mm，輸出膠輥與前膠輥的間距為6 mm，前羅拉的直徑為22 mm，吸風(fēng)槽在靠近膠輥位置的寬度為5 mm，靠近輸出膠輥位置寬度為1.5 mm，總長(zhǎng)度為26 mm，吸風(fēng)槽的傾斜角a=6°。

圖2 四羅拉集聚紡集聚區(qū)

在吸風(fēng)槽上設(shè)立5個(gè)Line，對(duì)有代表性的部分進(jìn)行流場(chǎng)檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 吸風(fēng)槽標(biāo)注(Line 1～5)

1.2 流體模型的建立與計(jì)算

在纖維集聚的過程中，集聚區(qū)的體積遠(yuǎn)大于纖維的體積，所以可以假設(shè)須條沒有對(duì)氣流的流動(dòng)產(chǎn)生影響，只有氣流控制須條的運(yùn)動(dòng)；此外，吸風(fēng)槽負(fù)壓較低,吸風(fēng)槽中的氣體為黏性、不可壓縮氣體，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)得到網(wǎng)格圈的透氣率為0.8。建立的流體模型的流場(chǎng)分布區(qū)域見圖4。

圖4 氣流速度分布圖

設(shè)置X軸為須條的輸出方面，Y軸為須條的厚度方向，Z軸為須條的橫向聚集方向，異型管聚集區(qū)的中心為O點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，先假定吸氣負(fù)壓為P=-2 800 Pa，探討四羅拉集聚紡系統(tǒng)集聚區(qū)域氣流分布情況，設(shè)定壓力進(jìn)口的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，設(shè)定壓力出口的壓強(qiáng)為吸風(fēng)負(fù)壓，其余都為壁面，設(shè)定為無(wú)滑移邊界條件，離散形式采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的尺寸間距為0.45 mm，網(wǎng)格總數(shù)為2 258 653。

計(jì)算模型采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型中的standard模型，初始化采用標(biāo)準(zhǔn)初始化，并采用SIMPLE算法,離散形式為一階迎風(fēng)式，收斂精度為10-3，迭代步數(shù)設(shè)置為500。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 集聚區(qū)的氣流流動(dòng)特征

整個(gè)四羅拉集聚紡物理模型的氣流分布矢量圖如圖5所示?？梢钥闯?，靠近吸風(fēng)槽的氣流速度最大，在吸風(fēng)槽的上部區(qū)域，離吸風(fēng)槽的距離越遠(yuǎn)，速度越小，在吸風(fēng)槽周圍的氣流也逐級(jí)遞減。

圖5 集聚區(qū)氣流速度矢量圖

從吸風(fēng)槽的速度分布矢量圖可以看出須條受吸風(fēng)槽的作用情況，吸風(fēng)槽出口處的情況如圖5(a)所示，可以看出吸風(fēng)槽兩邊的氣流在異型管的作用下從兩側(cè)往吸風(fēng)槽；吸風(fēng)槽出口剖面的情況如圖5(b)所示，可以看出更少的空氣從吸風(fēng)槽的入口中心部分區(qū)域流入吸風(fēng)槽，使吸風(fēng)槽中心線兩側(cè)受到氣流的影響產(chǎn)生橫向氣流力，有利于須條寬度上的有效集聚上升。

2.2 吸風(fēng)槽入口靜壓分布規(guī)律

吸風(fēng)槽入口處?kù)o壓分布規(guī)律直接對(duì)集聚區(qū)氣流的流動(dòng)情況產(chǎn)生影響，Line1、Line2、Lin3為吸風(fēng)槽入口寬度上有代表性的幾個(gè)連線，吸風(fēng)槽Line1、Line2、Line3的靜壓分布情況如圖6所示。

圖6 吸風(fēng)槽不同位置處?kù)o壓分布情況

由于吸風(fēng)槽為傾斜的，所以Line1、Line2、Line3在Z軸上的位置也處于傾斜的分布，但3個(gè)位置的氣流分布情況很相似，在吸風(fēng)槽中心處的靜壓值最大，靠近入口的最大氣壓值為-2 800 Pa，然后沿著吸風(fēng)槽的兩側(cè)逐漸降低，靠近壁面的部分約等于大氣壓強(qiáng)值。

從圖6可以看出，吸風(fēng)槽Line1、Line2、Line3兩側(cè)的靜壓量大致成對(duì)稱分布，表明吸風(fēng)槽6°的斜度并沒有對(duì)入口的氣流產(chǎn)生影響，可以推算出吸風(fēng)槽橫向的靜壓成“U”型分布。

圖7示出Line4上方不同位置的靜壓。可以看出：靜壓隨著離吸風(fēng)槽距離變大而減小，但在吸風(fēng)槽中心處上方的位置，4個(gè)位置的線條均呈現(xiàn)壓強(qiáng)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，幾乎沒有波動(dòng)，不受吸風(fēng)槽轉(zhuǎn)動(dòng)方向存在的傾斜角的影響。

2.3 吸風(fēng)槽出口處速度分布規(guī)律

吸風(fēng)槽出口處速度分布直接對(duì)氣流對(duì)須條的集聚效果產(chǎn)生影響，整個(gè)吸風(fēng)槽出口處的速度分布情況如圖8所示。

負(fù)值表示速度方向與正值的速度方向相反。圖8(a)中的曲線點(diǎn)沿著中心點(diǎn)呈中心對(duì)稱，大小相似，速度方向相反，說明氣流從吸風(fēng)槽兩側(cè)向中間靠攏；圖8(b)中Y軸的分量均為負(fù)值且分布均勻，這對(duì)須條有吸附作用，使須條可以緊貼吸風(fēng)槽，從而氣流可以更好的對(duì)須條進(jìn)行握持和聚集；圖8(c)中的整體分布情況與和圖8(a)的情況相似，但在靠近吸風(fēng)槽壁面位置，由于氣流的堆積作用，越靠近壁面，速度越大。

圖7 Line4上方不同位置的靜壓

圖8 吸風(fēng)槽入口處(pressure_outlet)的速度分量

圖9示出Line5(在吸風(fēng)槽中心，沿壁面相平行的一條線)的速度分布情況，X軸向速度分量沿中心對(duì)稱，Y軸向速度分量幾乎不變，但Z軸的情況略有差異，由于吸風(fēng)槽是傾斜的，須條Z軸兩側(cè)的氣流速度不同，說明須條受到氣流的力不同，造成須條翻滾，從而會(huì)對(duì)須條略微產(chǎn)生加捻，之前也有學(xué)者通過分析實(shí)驗(yàn)證明了附加捻度的存在[8-10]，所以Z軸向的氣流對(duì)于須條不僅有聚集作用，還有一定的加捻作用。

3 紡紗實(shí)驗(yàn)

3.1 紡紗工藝

采用QFA1528型細(xì)紗機(jī)(無(wú)錫第七紡織機(jī)械公司)，在吸風(fēng)槽負(fù)壓分別為-2 800、-3 000、-3 200、-3 400 Pa 的條件下紡制14.6 tex的棉紗，分別設(shè)置3組標(biāo)號(hào)為1、2、3、4。設(shè)計(jì)捻系數(shù)為380，錠速為 10 000 r/min，隔距塊為3.0 mm，鋼絲圈型號(hào)為U1ULudr4/0。

3.2 紗線性能測(cè)試

采用YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀(蘇州長(zhǎng)風(fēng)紡織機(jī)電有限公司)測(cè)試紗線的力學(xué)性能。拉伸次數(shù)為10次/管，取樣間隔為500 mm，按照 GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》測(cè)試。

采用烏斯特?茲韋格HL400(瑞士烏斯特公司)檢測(cè)毛羽指數(shù)和紗線條干均勻度。測(cè)試長(zhǎng)度為200 m。

3.3 結(jié)果與討論

表1示出紗線的性能測(cè)試結(jié)果?？芍?，隨著負(fù)壓值的增大，紗線的強(qiáng)力提高，斷裂伸長(zhǎng)降低。因?yàn)樨?fù)壓越大，氣流速度值受力減弱，單根纖維的伸直平行度減弱，從而條干CV值增加。由表1還可知，隨著負(fù)壓的增大，紗線的毛羽減少，條干不勻增加。因?yàn)樨?fù)壓增大，纖維縱向受力增加，另外橫向氣流對(duì)纖維還有一定的聚集作用，所以增加了長(zhǎng)絲對(duì)短纖維的包纏效果，纖維相互之間聚集緊密，毛羽減少；傳統(tǒng)環(huán)錠紡的加捻效率不能達(dá)到100%，實(shí)際捻度會(huì)略小于設(shè)計(jì)捻度，但在四羅拉聚集紡中，如表1所示，與設(shè)計(jì)的捻度100.7捻/(10 cm)相比，4組紗線的捻度都增加，這是由于吸風(fēng)槽是傾斜的，須條橫向聚集方向兩側(cè)的氣流速度不同，導(dǎo)致須條兩側(cè)所受氣流力不同，須條中所受氣流力大的一側(cè)纖維向受力小的一側(cè)移動(dòng)，造成須條翻滾，從而在聚集區(qū)形成了附加捻度。

圖9 吸風(fēng)槽Line5上方的速度分量分布

表1 紗線的性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文采用ANSYS Fluent Release 16.0軟件對(duì)四羅拉集聚紡系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了吸風(fēng)槽的速度和靜壓分布情況，異型管結(jié)構(gòu)方便氣流對(duì)須條的聚集結(jié)果為：1)吸風(fēng)槽6°的斜度沒有對(duì)入口的橫向靜壓產(chǎn)生影響，吸風(fēng)槽橫向的靜壓成“U”型分布；2)吸風(fēng)槽靜壓隨著離吸風(fēng)槽距離變大而平穩(wěn)減小，無(wú)明顯波動(dòng)，不受吸風(fēng)槽轉(zhuǎn)動(dòng)方向存在傾斜角的影響，且不同軸向氣流的速度分量對(duì)須條的作用效果不同；3)吸風(fēng)槽兩側(cè)氣流的速度分量不同，橫向聚集方向氣流因有速度差會(huì)對(duì)須條產(chǎn)生附加捻度；4)隨吸風(fēng)槽氣壓的增大，紗線的強(qiáng)力增大，斷裂伸長(zhǎng)降低，毛羽減少，條干不勻增加。