基于ANSYS CFX的棉纖維馬克隆值的建模與仿真

張夢(mèng)陽，陳曉川，汪 軍，李 勇

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 3. 塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

馬克隆值是一定量棉纖維在規(guī)定條件下的透氣性的度量，可以反映棉纖維線密度與成熟度的綜合情況[1]，是衡量棉花質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。馬克隆值與棉花的價(jià)格息息相關(guān)，與棉紗外觀品質(zhì)、紡紗性能也有著密切的關(guān)系，所以它在棉花貿(mào)易和紡織工藝中有著重要的地位[2]。

1950年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部通過氣流實(shí)驗(yàn)得到了浮子高度與棉纖維線密度的二次回歸方程，初步確定了流量與線密度的非線性關(guān)系。隨后E.Lord研究了棉纖維質(zhì)量指標(biāo)與流量的關(guān)系，認(rèn)為影響馬克隆值的因素不只有線密度，他選擇使用苛仁納公式作為原理方程，并提出了馬克隆值與棉纖維成熟度和線密度的關(guān)系公式[3]。此后，以該公式為基礎(chǔ)又出現(xiàn)了二次、三次壓差法，用來測(cè)定棉纖維的線密度和成熟度[4]。但在1990年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)現(xiàn)，馬克隆值與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)出的結(jié)果嚴(yán)重偏離；我國(guó)在2006年也開始發(fā)現(xiàn)馬克隆值與棉花分級(jí)、品質(zhì)、可紡性等指標(biāo)之間的關(guān)系出現(xiàn)混亂。陳美玉等[5]認(rèn)為中段平均復(fù)圓直徑對(duì)馬克隆值的影響不可忽略，棉纖維氣流儀原理方程的獨(dú)自變量至少包括線密度和中段平均復(fù)圓外直徑。國(guó)外則開始選擇采用其他方法測(cè)量相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)，如使用圖像法測(cè)量棉纖維線密度，使用近紅外光譜儀測(cè)量棉纖維馬克隆值[6]，但穩(wěn)定性還有待檢驗(yàn)。烏斯特公司生產(chǎn)的HVI大容量纖維測(cè)試儀中的馬克隆組件仍是采用氣流法，但成熟度指數(shù)是根據(jù)馬克隆值、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂比強(qiáng)度計(jì)算出來的一個(gè)相對(duì)值，所以研究馬克隆值與棉纖維其他質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系仍然很有必要。

有關(guān)馬克隆值的研究報(bào)道很多，但由棉纖維氣流儀測(cè)出的數(shù)值與棉纖維其他指標(biāo)的關(guān)系還不是十分明確。為此，本文首先探究影響馬克隆值的因素，分別測(cè)量和計(jì)算6個(gè)棉樣的平均直徑和成熟度，并將其反映至三維模型中，然后利用ANSYS CFX仿真軟件進(jìn)行仿真，得到通過6個(gè)棉花模型的流量值，最后將其與實(shí)驗(yàn)流量值進(jìn)行比較，證明模型的有效性。棉纖維透氣性模型的建立為進(jìn)一步提高馬克隆值與棉纖維其他質(zhì)量指標(biāo)關(guān)系的準(zhǔn)確度提供了一種新的方法。

1 棉纖維氣流儀原理方程的推導(dǎo)

1.1 導(dǎo)流基礎(chǔ)方程的選擇

棉纖維氣流儀可以測(cè)量馬克隆值，其測(cè)試的原理是在等壓差或者等流量的情況下，在容器內(nèi)塞滿相同質(zhì)量的棉纖維，讓氣流通過容器，測(cè)量其對(duì)應(yīng)的流量或者壓差，最后用這個(gè)值來推導(dǎo)纖維的馬克隆值[7]。本文選擇Y145C型棉纖維氣流儀(常州市第一紡織設(shè)備有限公司)的工作條件和等壓差測(cè)流量的工作原理進(jìn)行研究。

苛仁納(Kozeny)公式可以用來定義多孔介質(zhì)的滲透率，如地下滲流，而棉纖維氣流儀工作原理的本質(zhì)也是研究多孔介質(zhì)的透氣性，故本文可采用該公式作為基礎(chǔ)方程[3]，苛仁納公式為

(1)

式中：ΔP為容器兩端壓差，Pa；K為形狀系數(shù)；Q為通過棉纖維的質(zhì)量流量，g/s；μ為流體黏滯系數(shù)，Pa·s；L為容器管道長(zhǎng)度，cm；S0為棉纖維比表面積，cm-2；ε為孔隙率；A為容器管道截面積，cm2。

1.2 公式關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

1.2.1 棉纖維密度的計(jì)算

已知復(fù)圓后棉纖維截面近似圓環(huán)狀，本文成熟度定義為纖維壁面積與包括空腔在內(nèi)的外圓面積之比，則棉纖維成熟度為

(2)

式中：Km為棉纖維成熟度；D為棉纖維壁外徑，cm；d為棉纖維壁內(nèi)徑，cm。從而可以得到包括空腔在內(nèi)的纖維密度：

(3)

式中：ρ0為棉纖維壁密度，g/cm3；ρ1為包括棉纖維空腔的纖維密度，g/cm3。

1.2.2 棉纖維表面積和比表面積的計(jì)算

一定體積棉纖維的表面積為

(4)

式中：S1為一定體積棉纖維的表面積，cm2；V2為包括空腔的纖維體積，cm3；m為棉纖維總質(zhì)量，g。比表面積在本文中定義為單位容器體積中棉纖維的表面積，可得

(5)

式中，V1為容器體積，cm3。將式(5)代入式(1)中，可得

(6)

1.2.3 流體體積和空隙率的計(jì)算

棉纖維所占體積為

可計(jì)算流體體積

(7)

已知容器內(nèi)空隙率等于空隙的體積除以總體積，可得

(8)

本文假設(shè)棉纖維在標(biāo)準(zhǔn)回潮率下復(fù)圓到標(biāo)準(zhǔn)直徑，在研究過程中發(fā)現(xiàn)纖維截面的卷曲變形和成熟度變化會(huì)改變空隙率，考慮到苛仁納公式用在不同的介質(zhì)中，空隙率與流量的關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，并且空隙率本身的變化也會(huì)影響公式的表達(dá)和Kozeny-Carman常數(shù)[8]，所以現(xiàn)在尚無明確的公式來統(tǒng)一這一影響因素，故暫且將其變化的影響忽略，則可得到棉纖維氣流儀的原理方程

(9)

1.2.4 棉纖維線密度與成熟度和直徑的關(guān)系

線密度[5]是棉纖維的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，單位為mtex，可表示為

(10)

結(jié)合式(3)可得

(11)

1.2.5 其他參數(shù)的確定

根據(jù)Y145C型棉纖維氣流儀查詢?nèi)萜鞯南嚓P(guān)數(shù)據(jù)：容器兩端壓差為1 960 Pa；流體黏滯系數(shù)為18.09×10-6Pa·s；容器管道長(zhǎng)度為2.5 cm;容器管道截面積為7.793 1 cm2；棉纖維質(zhì)量為5 g；容器體積為191.482 8 cm3。其他參數(shù)：大氣溫度為20 ℃；相對(duì)濕度為65.0%；空氣密度取1.205 g/L；形狀系數(shù)取7.95；棉纖維標(biāo)準(zhǔn)成熟度為0.577 5；棉纖維壁密度為1.524 g/cm3。

1.3 棉纖維質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)定

任意選取6個(gè)棉樣除去雜質(zhì)，然后根據(jù)GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》的要求，將棉樣放置在大氣溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65.0±3)%的環(huán)境下調(diào)濕4 h。隨后使用Y145C型棉纖維氣流儀測(cè)量馬克隆值和流量。按照GB/T 6498—2008《棉纖維馬克隆試驗(yàn)方法》的規(guī)定，將調(diào)濕后的棉纖維各稱量5 g放入測(cè)量容器，測(cè)量在1 960 Pa壓差下通過棉樣的流量和對(duì)應(yīng)的馬克隆值并記錄。

棉纖維線密度的測(cè)量選擇使用中段稱重法，取適量棉纖維，手扯整理成一端整齊、伸直平行、寬約5 mm的棉束，使用Y171型纖維切斷器(常州市第一紡織設(shè)備有限公司)切取中段棉纖維并進(jìn)行稱量，計(jì)數(shù)纖維根數(shù)，然后計(jì)算纖維線密度。

纖維成熟度的測(cè)量方法參照GB 13777—2006 《棉纖維成熟度試驗(yàn)方法 顯微鏡法》，整理一端整齊的棉束均勻地排列在載玻片上，滴入18%的氫氧化鈉溶液對(duì)其進(jìn)行溶脹，之后用400倍的顯微鏡逐根觀察纖維形態(tài)和中腔，對(duì)于每份樣品分別計(jì)算正常纖維和死纖維的比例，然后計(jì)算成熟度。

6種棉樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 棉纖維測(cè)量實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)Tab.1 Data for measuring cotton fibers

用式(9)和(11)計(jì)算通過棉樣的流量，并比較其與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差，結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所得流量及其相對(duì)誤差Tab.2 Calculated and experimentally measured flow rates and their relative errors

由表2可知，其相對(duì)誤差絕對(duì)值最大為8.74%，可見式(9)原理方程的計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，故選擇纖維直徑和成熟度為建模變量。為精確控制棉纖維形態(tài)，從而探尋更準(zhǔn)確的氣流推導(dǎo)公式，本文將通過仿真的方法建立有效的棉纖維透氣性模型。

2 棉纖維的建模與仿真

2.1 棉纖維三維模型的建立

由以上推導(dǎo)公式確定的模型特征，需要通過Solidworks建模軟件進(jìn)行反映，三維建?？梢跃_地控制棉纖維直徑和成熟度的變化，并且可以顯示出模型的表面積和體積，從而得到準(zhǔn)確的比表面積和空隙率。建模思路為：先建立棉纖維的模型，再用1個(gè)實(shí)體減去棉纖維，從而得到棉纖維在試樣筒中的空隙，即流體流動(dòng)的空間范圍，對(duì)其進(jìn)行裁剪，最終得到所需要的流體模型。

建模具體過程如下：仿照棉纖維的外觀形態(tài)和真實(shí)平均直徑，建立棉纖維的結(jié)構(gòu)，由于棉纖維兩端封閉，纖維空腔內(nèi)的空氣不發(fā)生流動(dòng)，故在建模中空腔不表示出來。再由式(8)計(jì)算相應(yīng)的空隙率，從而確定陣列距離。為簡(jiǎn)化建模、減少仿真的計(jì)算量和便于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，容器形狀選擇直徑為315 μm，高為250 μm的圓柱，即Y145C型棉纖維氣流儀容器體積的1/106。為達(dá)到所需的體積要求，橫向、縱向的陣列數(shù)分別為10、15，得到整體的棉纖維模型[9]。然后添加1個(gè)流體立方體，使棉纖維完全位于立方體內(nèi)，使用組合里的刪減操作，將流體立方體內(nèi)的棉纖維部分刪除，得到棉纖維的空隙，即流體流動(dòng)的范圍。最后對(duì)流體進(jìn)行裁剪，得到直徑為315 μm，高為250 μm的流體模型。建模流程如圖1所示。

圖1 棉纖維透氣性模型的建模流程Fig.1 Modeling process of permeability model of cotton fibers

值得注意的是，在其他條件不變的情況下，棉纖維排列結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生改變，則流量也會(huì)發(fā)生變化，所以在所建模型體積與計(jì)算值相同的條件下，不同棉纖維橫向和縱向陣列距離的比例要相同，從而保證不同棉纖維模型結(jié)構(gòu)的一致性。

2.2 棉纖維流體模型的建模與仿真

建模中選取棉纖維直徑和成熟度為自變量，因變量為流體體積，建立相應(yīng)的棉纖維流體模型；最后比較其流量的差異，即在相同容器內(nèi)，在相同壓差的情況下，比較通過其內(nèi)部流量值的不同。選取實(shí)驗(yàn)中的6種棉樣進(jìn)行所需數(shù)據(jù)的計(jì)算和建模。

根據(jù)式(10)計(jì)算纖維直徑，再結(jié)合成熟度利用式(7)計(jì)算流體體積，所得結(jié)果如表3所示。

表3 流體建模數(shù)據(jù)Tab.3 Data of fluid modeling

根據(jù)計(jì)算得到的直徑和體積，使用Solidworks建模，保證直徑相同，體積相對(duì)誤差的絕對(duì)值不超過2%，纖維橫向與縱向陣列比例相同。所建三維模型如圖2所示，因結(jié)構(gòu)相似，只列出第1種棉樣的流體模型。

圖2 棉樣1# 的流體模型Fig.2 Fluid model of cotton sample 1#

完成三維建模后，另存為所需格式，然后將模型導(dǎo)入ANSYS CFX，并劃分網(wǎng)格，在前處理器中確定流體進(jìn)出口位置，設(shè)置流體為溫度等于20 ℃的可壓縮空氣，流體流動(dòng)模型為層流，進(jìn)口壓力為19.6 Pa,出口壓力為0 Pa，設(shè)置完畢后進(jìn)行求解，壓差云圖如圖3所示，最后在后處理器中提取入口平面的流量值。

圖3 棉樣1#的仿真壓差云圖Fig.3 Cotton sample 1# simulated pressure cloud picture

因?yàn)槿萜鹘孛娣e和實(shí)驗(yàn)相比縮小了104倍，故流量也應(yīng)減小相應(yīng)倍數(shù)，將其和仿真得出的流量進(jìn)行比較，并計(jì)算其相對(duì)誤差，結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算流量及其相對(duì)誤差Tab.4 Computational flow and relative errors

由表4可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差的絕對(duì)值最大為7.92%，可見該模型可以反映棉纖維在一定情況下的透氣性。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)棉纖維成熟度的變化會(huì)改變空隙率，該模型可以均勻地在很大范圍內(nèi)單一改變成熟度，而這在實(shí)驗(yàn)中卻很難實(shí)現(xiàn)，所以該模型的建立為修正棉纖維的Kozeny-Carman常數(shù)、探究空隙率的影響進(jìn)而提高馬克隆值與成熟度的相關(guān)性提供了一種更為準(zhǔn)確的方法。

2.3 結(jié)果分析

由以上實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，棉纖維氣流儀通過棉花的入口流量值與棉纖維成熟度和直徑乘積的平方大致成正比。

1956年，Lord[10]提出了馬克隆值M與纖維成熟度比Kb和線密度H的關(guān)系：

(12)

結(jié)合式(9)和(10)可得：

(13)

(14)

由式(14)可以看出，在忽略空隙率的情況下，影響馬克隆值的獨(dú)自變量有平均直徑和成熟度。以前棉纖維的品種比較單一，直徑相差不大，可以靠棉纖維氣流儀測(cè)得的壓差來確定棉纖維的線密度。但是現(xiàn)在棉花的常規(guī)品種逐年降低，雜交品種逐年提高，優(yōu)質(zhì)專用棉品種也有較大幅度的降低，未經(jīng)審定品系一直占有相當(dāng)高的比例，棉花品種呈現(xiàn)多亂雜的現(xiàn)象。品種增多難免會(huì)導(dǎo)致棉纖維直徑差距越來越大，由式(14)可知，成熟度很低的棉花，其馬克隆值也有可能高達(dá)5.5，這就與馬克隆值越大，成熟度越大的一般判斷相悖。

綜上所述，隨著棉纖維直徑范圍的擴(kuò)大，僅靠馬克隆值已經(jīng)不能作為判斷棉纖維成熟度、線密度等質(zhì)量指標(biāo)的依據(jù)，所以如果要沿用馬克隆值這一質(zhì)量指標(biāo)，可以先按纖維直徑將棉纖維的品種進(jìn)行大致分類，然后分別制定對(duì)應(yīng)的馬克隆值分檔標(biāo)準(zhǔn)，這樣就可以根據(jù)馬克隆值大致確定纖維的成熟度和線密度，進(jìn)而判斷可紡性等質(zhì)量指標(biāo)。

3 結(jié)束語

近年來馬克隆值與棉纖維線密度等相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系混亂，傳統(tǒng)分級(jí)方法不能反映可紡性等品質(zhì)指標(biāo)，究其根本是纖維形狀與一定密度下透氣性的關(guān)系比較復(fù)雜。本文根據(jù)苛仁納公式推導(dǎo)出Y145C棉纖維氣流儀兩端流量的原理方程，方程表明在不考慮空隙率的影響下，容器兩端流量與纖維直徑和成熟度有關(guān)。用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方程的計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。但若要進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，就需要明確空隙率的影響，所以最后通過建立三維棉纖維透氣性模型和相關(guān)仿真，證明了該模型的有效性，為探究空隙率影響、進(jìn)一步提高方程的準(zhǔn)確性提供了參考。