氣流柔軟整理機(jī)噴射結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化研究

劉 健，祝之兵，吳登昊

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院， 浙江 紹興 312030； 2.紹興柯橋浙工大創(chuàng)新研究院發(fā)展有限公司， 浙江 紹興 312030；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310014)

隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)高檔面料需求的激增，舒適環(huán)保的高檔面料已成為紡織服裝面料的發(fā)展趨勢(shì)?？椢锶彳浾砉に囀歉纳瓶椢锸指小⒓y理等布面風(fēng)格的一種整理方法，其過(guò)程是降低纖維的剛性，降低纖維與纖維間的摩擦因數(shù)，使纖維發(fā)生松弛、滑動(dòng)，最終賦予織物柔軟、平滑的手感，或產(chǎn)生縮絨、搖粒絨等質(zhì)感效果。柔軟整理主要包括機(jī)械整理工藝和氣流整理工藝[1]，傳統(tǒng)的機(jī)械柔軟整理工藝大多通過(guò)機(jī)械拍打或旋轉(zhuǎn)的臥式滾筒等機(jī)械機(jī)構(gòu)完成，該結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但易造成織物處理不均勻，更嚴(yán)重的還會(huì)造成局部坯布處理過(guò)度，造成織物損傷等。氣流整理工藝由于其特有的高壓氣流物理處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外在氣流柔軟整理機(jī)的研究方面主要集中在噴射系統(tǒng)、自動(dòng)化控制和產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)等方面。在噴射系統(tǒng)方面，高速氣流噴射技術(shù)目前是一種較先進(jìn)的后處理技術(shù)，國(guó)外企業(yè)在這一領(lǐng)域的研發(fā)較早，其中意大利白卡拉尼公司新一代的AIRO系列氣流柔軟機(jī)較為成熟[2-4]。該系統(tǒng)可以對(duì)大部分的紡織面料進(jìn)行后處理，系統(tǒng)集成了清洗、烘干、柔軟和定形等處理工序。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者也針對(duì)氣流柔軟機(jī)的工作原理、氣流噴射機(jī)構(gòu)和相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[5-7]，但是在氣流噴射機(jī)構(gòu)優(yōu)化方面的相關(guān)研究并不多。

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)面料后處理結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣流場(chǎng)流動(dòng)特性及氣流場(chǎng)對(duì)面料的影響進(jìn)行了研究，通過(guò)幾何優(yōu)化建模、網(wǎng)格劃分、湍流模型選擇、邊界條件設(shè)置、流固耦合等進(jìn)行計(jì)算，分析了布寬b、噴嘴數(shù)n、氣腔噴嘴大小c、噴嘴傾角α、噴嘴距離面料的高度h及噴嘴間距d對(duì)面料后處理結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣流場(chǎng)的影響及氣流場(chǎng)對(duì)面料的影響，進(jìn)而獲得面料處理效果最優(yōu)的參數(shù)組合，為高性能面料后處理結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

1 噴射結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 正交試驗(yàn)方案

為了能夠科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短試驗(yàn)周期的同時(shí)找出面料處理結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，采用正交試驗(yàn)法對(duì)氣流噴射結(jié)構(gòu)開(kāi)展多方案對(duì)比研究。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了紡織面料氣流柔軟處理機(jī)內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，氣流柔軟機(jī)流道幾何設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示。

圖1 氣流柔軟機(jī)流道幾何設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)研究要求，初步確定對(duì)應(yīng)需要研究的6個(gè)幾何因素為：布寬b、噴嘴數(shù)n、氣腔噴嘴大小c、噴嘴傾角α、噴嘴距離面料的高度h、噴嘴間距d。

選用6因素3水平的L27(36)正交表，確定對(duì)應(yīng)因素后，列出試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 不同噴嘴方案因素水平表

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

采用三維建模軟件CATIA對(duì)氣流柔軟整理機(jī)不同噴嘴結(jié)構(gòu)方案的流體域進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，氣流柔軟機(jī)噴射結(jié)構(gòu)流體域模型如圖2所示。采用網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適用于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計(jì)算。

圖2 氣流柔軟機(jī)噴射結(jié)構(gòu)流體域模型

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒(méi)有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也沒(méi)有層的概念，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布是隨意的，因此具有靈活性，應(yīng)用范圍較廣。由于噴射結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格，為后續(xù)分析創(chuàng)造有利條件，噴射結(jié)構(gòu)氣流場(chǎng)模型網(wǎng)格劃分及邊界指定如圖3所示。本文研究中氣流柔軟機(jī)噴射結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他部分使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖3 噴射結(jié)構(gòu)氣流場(chǎng)模型網(wǎng)格劃分及邊界指定

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 氣流場(chǎng)數(shù)值模擬

本文采用ANSYS CFX 16.2軟件對(duì)流體域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行求解計(jì)算。RNGk-ε湍流模型將重整的RNG理論(重整化群理論)應(yīng)用到湍流流動(dòng)中，屬于高雷諾數(shù)湍流模型，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的一種改進(jìn)。RNGk-ε湍流模型不僅充分考慮了離心泵內(nèi)部流體流動(dòng)中旋轉(zhuǎn)和旋流情況，而且能較準(zhǔn)確地模擬離心泵近壁區(qū)流動(dòng)。RNGk-ε湍流模型[8]所用湍動(dòng)能方程為:

(1)

(2)

流體介質(zhì)為25 ℃空氣，由于壓縮空氣從氣室中通過(guò)狹小的噴孔沿切向高速射入噴嘴揉捻腔，噴嘴中氣流為黏性、可壓流體。在正常揉捻過(guò)程中，噴嘴內(nèi)氣流可視為定常流動(dòng)，不考慮纖維的存在。因此，氣流柔軟整理的氣流場(chǎng)的基本控制方程表示如下：

div(ρv)=0

(3)

div(ρvv-τ)=-gradp+f

(4)

(5)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；v為氣體速度矢量，m/s；τ為黏性應(yīng)力張量；p為氣體壓力，Pa；f為體力，一般為重力，N；T為氣體溫度，℃；k為氣體傳熱系數(shù)；cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項(xiàng)。

邊界條件設(shè)置為總壓力進(jìn)口，參考?jí)毫?.5 MPa；出口設(shè)置為靜壓出口，參考?jí)毫?。計(jì)算流體域壁面設(shè)置為光滑無(wú)滑移壁面；各交界面模型為普通連接(General Connection)，均采用通用圖像界面(GGI)網(wǎng)格連接方式；采用高階求解精度，最大計(jì)算迭代步數(shù)為3 000；收斂殘差RMS設(shè)置為10-5。

2.2 面料的材料參數(shù)設(shè)置

將面料的彈性參數(shù)如楊氏模量等納入面料模型中以體現(xiàn)面料的彈性，面料的特性參數(shù)為：面料密度為1.2 kg/m3，楊氏模量1 430 MPa，泊松比為0.2，體積模量為7.944×108Pa，剪切模量為5.958 3×108Pa，抗拉屈服強(qiáng)度為63 MPa，抗壓屈服強(qiáng)度63 MPa，最大抗拉屈服強(qiáng)度為86 MPa。

2.3 面料與氣流耦合動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)面料氣流耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先需要建立合理的面料模型。由于面料在高速氣流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的位移和彎曲，而面料的應(yīng)變與之相比較小，面料的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出較為明顯的幾何非線性特征。因此，采用完全拉格朗日表述法描述面料的運(yùn)動(dòng)與變形過(guò)程，即取t0=0時(shí)刻的纖維的構(gòu)型作為參考構(gòu)型，即變形前的構(gòu)型，在所有的求解時(shí)刻待求的面料變量，都參照時(shí)刻t0=0的構(gòu)型來(lái)定義。完全拉格朗日描述下經(jīng)歷非線性大變形的柔性纖維的動(dòng)態(tài)平衡方程為：

(6)

由于面料在噴嘴氣流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)變形較小，本文假設(shè)纖維為各向同性的線彈性材料，則面料材料的本構(gòu)關(guān)系式，即應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

S=DE

(7)

式中，下標(biāo)0代表面料的初始構(gòu)型狀態(tài)；u為面料的位移矢量，m；X為變形梯度；f為體力，N；S為應(yīng)力張量；D為彈性張量。

將氣流柔軟整理機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入流固耦合(FSI)中的CFX模塊；將已設(shè)置好的面料模量參數(shù)導(dǎo)入靜力學(xué)模塊中的工程數(shù)據(jù)模塊；并在幾何模塊中建立面料模型和網(wǎng)格模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最后對(duì)面料氣流進(jìn)行兩相耦合處理，首先將面料的前后端面進(jìn)行固定，然后將氣流壓力加載到面料中。

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 面料總形變量及表面相對(duì)應(yīng)力分布

不同噴射模型對(duì)應(yīng)的面料平均壓力和平均流速如表2所示。可以發(fā)現(xiàn)：面料表面的平均壓力及氣流平均速度基本與噴嘴距離面料的高及噴嘴間距成反比關(guān)系，與噴嘴數(shù)成正比關(guān)系。由于研究模型過(guò)多，所以在本文中采用分類對(duì)比的方式進(jìn)行篩選對(duì)比，進(jìn)一步分析得出最佳參數(shù)組合。首先由參數(shù)布寬b，將模型分為3類，即2、3、4 m；然后在各類中噴嘴數(shù)相同的模型分為一類進(jìn)行對(duì)比分析；最后進(jìn)行總對(duì)比，最終得出最佳參數(shù)組合。

表2 不同噴射模型下面料平均壓力和平均流速對(duì)比

通過(guò)類比分析得到在相同布寬、相同噴嘴數(shù)的情況下，模型1、4、7、12、13、16、19、22、25在各自類型中面料表面的平均壓力及氣流平均速度相對(duì)較佳。所以在接下來(lái)的研究分析中將以模型1、4、7、12、13、16、19、22、25及模型對(duì)應(yīng)的面料進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 氣腔模型的靜壓分布及速度流線圖對(duì)比分析

不同流道噴射結(jié)構(gòu)壓力與流線分布如圖4所示，顯示了部分氣腔模型的靜壓分布及速度流線圖。可以看出，氣流以較高的速度通過(guò)噴嘴射入柔軟處理腔，此后氣流速度迅速減小。進(jìn)入柔軟處理腔的大部分氣流沿著腔壁之間的空隙區(qū)域向前流動(dòng)，從腔體出口排出。在增加噴嘴之后，面料處理腔中的高速氣流回流現(xiàn)象只出現(xiàn)在第1個(gè)噴嘴后方，所以形成了一部分低壓區(qū)域，但隨著射流口傾斜角和射流口高度逐漸增大時(shí)，其他噴嘴后方的面料處理腔會(huì)出現(xiàn)氣流紊亂現(xiàn)象，這是由于面料腔中的氣流與噴嘴中的氣流形成了剪切作用造成的。部分噴嘴由于其尺寸和傾角過(guò)大，導(dǎo)致氣流在流出噴嘴之前就形成渦流現(xiàn)象，從而也進(jìn)一步削減了氣流的流速和沖擊力，同時(shí)也降低了氣流對(duì)面料的處理效率。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加噴嘴數(shù)后，面料處理腔中氣流的靜壓分布及速度流線相對(duì)較平穩(wěn)，沒(méi)有較大的渦流出現(xiàn)，即可以較為均勻地作用在面料上，從而提高面料的處理效果；但增加噴嘴數(shù)后，在處理腔末端的噴嘴氣流靜壓變低，速度變慢，也導(dǎo)致了面料處理效果變低。通過(guò)對(duì)比分析可得：為了能夠使氣流利用率盡可能達(dá)到最大，噴嘴的尺寸不宜過(guò)大；噴嘴的傾角不宜過(guò)大，大致在10°～15°之間；噴嘴數(shù)同樣不宜過(guò)多；噴嘴距離面料的高度則需要根據(jù)面料本身材質(zhì)的硬度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，但不宜過(guò)高。

圖4 不同流道噴射結(jié)構(gòu)壓力與流線分布

3.3 面料總形變量及表面相對(duì)應(yīng)力分布

圖5和圖6分別為部分氣腔模型中面料總形變量分布和面料表面相對(duì)應(yīng)力分布?？紤]實(shí)際生產(chǎn)中，面料處理只需要固定一端即可，面料總形變量及表面相對(duì)應(yīng)力是面料處理效果重要參考參數(shù)，如果面料總形變量達(dá)不到一定的值，則對(duì)面料達(dá)不到一定的處理效果；如果面料總形變量過(guò)大或分布不均，則會(huì)使面料變形或局部變形，造成物理破壞。當(dāng)然面料總形變量也可以通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口氣流的大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，本文模型對(duì)比中其面料總形變量越大，分布越均勻，即說(shuō)明結(jié)構(gòu)越好。對(duì)比分析部分氣腔模型中面料總形變量分布可得：當(dāng)布寬增大后，其最大變形量也隨之增大；變形量分布均勻度與噴嘴數(shù)和布寬成正比。

圖5 面料總形變量分布

圖6 面料相對(duì)應(yīng)力分布

對(duì)比面料表面相對(duì)應(yīng)力分布，同樣可以發(fā)現(xiàn)氣腔模型25的面料表面相對(duì)應(yīng)力由下到上逐漸遞減，左右分布較均勻。對(duì)比分析圖5、6可知，模型25對(duì)面料的處理效果最為有效。模型25的結(jié)構(gòu)尺寸為布寬b為4 m、噴嘴數(shù)n為4個(gè)、氣腔噴嘴大小c為100 mm、噴嘴傾角α為10°、噴嘴距離布料的高度h為50 mm及噴嘴間距d為500 mm。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)所建立的面料在噴射結(jié)構(gòu)氣流場(chǎng)中的耦合動(dòng)力學(xué)模型及其數(shù)值求解方法，對(duì)面料在其氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并運(yùn)用正交試驗(yàn)法對(duì)幾個(gè)重要的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)面料運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及面料處理效果的影響進(jìn)行深入研究，得出的結(jié)論如下：

通過(guò)分析面料特性和流道噴射結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了面料與氣流之間相互作用的耦合動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了柔性面料在流體中的流固耦合分析，為面料的流體動(dòng)力特性數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)。

利用正交試驗(yàn)法獲取了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴射結(jié)構(gòu)模型，預(yù)測(cè)其不同參數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)面料的處理效率的影響；分別對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)氣流場(chǎng)作用下的面料形變量分布和相對(duì)應(yīng)力分布，綜合考慮面料表面的平均壓力，平均速度，總變形量分布和應(yīng)力分布的均勻性，最終確定布寬b為4 m、噴嘴數(shù)n為4個(gè)、氣腔噴嘴大小c為100 mm、噴嘴傾角α為10度、噴嘴距離布料的高度h為50 mm及噴嘴間距d為500 mm的模型25為最佳方案。