轉(zhuǎn)杯紡紗器氣流場(chǎng)形成機(jī)制的數(shù)值分析

史倩倩， 王 姜， 張玉澤， 林惠婷， 汪 軍,3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000； 3. 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)

轉(zhuǎn)杯紡[1]是一種利用氣流來(lái)驅(qū)動(dòng)纖維進(jìn)而加捻成紗的紡紗技術(shù)，其憑借生產(chǎn)流程短、成本低、產(chǎn)量高以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)發(fā)展成為目前應(yīng)用面較為廣泛的新型紡紗技術(shù)之一[2-4]。氣流作為轉(zhuǎn)杯紡紗中纖維輸送的媒介，其對(duì)纖維形態(tài)以及纖維運(yùn)動(dòng)的影響至關(guān)重要，基于此，相關(guān)學(xué)者借助流體力學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗器中的氣流特征進(jìn)行了研究。Kong等[5]通過(guò)建立轉(zhuǎn)杯紡輸纖通道的二維計(jì)算模型模擬了輸纖通道中的氣流特征，發(fā)現(xiàn)氣流特征隨輸纖通道幾何結(jié)構(gòu)以及分梳輥轉(zhuǎn)速的改變而變化，從而影響纖維的形態(tài)。Yang等[6]對(duì)輸纖通道和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)杯中的三維氣流特征進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)杯中會(huì)生成渦流，且氣流速度在滑移面上會(huì)降低，同時(shí)在滑移面上以及轉(zhuǎn)杯凝聚槽上分布有高壓區(qū)。

轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)在正常工作時(shí)，其紡紗器中的氣流場(chǎng)主要由2種作用機(jī)制控制，即氣泵的抽氣機(jī)制和轉(zhuǎn)杯的旋轉(zhuǎn)機(jī)制。正是基于這2個(gè)作用機(jī)制在轉(zhuǎn)杯紡紗器中才能形成合適的氣流場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)纖維的輸送、轉(zhuǎn)移和凝聚。目前已有關(guān)于這2種作用機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗器中氣流場(chǎng)影響的研究：Xiao等[7]研究了轉(zhuǎn)杯速度對(duì)氣流的影響，發(fā)現(xiàn)氣流特征會(huì)隨轉(zhuǎn)杯速度的改變而變化；Lin等[8-9]發(fā)現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)杯速度會(huì)在杯中產(chǎn)生較多的渦流，而較高的轉(zhuǎn)杯速度則會(huì)造成較多的紗線斷裂，且對(duì)轉(zhuǎn)杯出口壓力的研究表明適當(dāng)降低轉(zhuǎn)杯出口壓力有利于紗線的成形。上述研究雖已探索了轉(zhuǎn)杯出口壓力和轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)速度對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗器中氣流場(chǎng)的影響，但并未探索抽氣機(jī)制和旋轉(zhuǎn)機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗器中氣流場(chǎng)形成的作用。

基于轉(zhuǎn)杯紡紗器工作時(shí)所需的2種外界作用機(jī)制，本文設(shè)計(jì)了3種工況，并借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)3種工況下轉(zhuǎn)杯紡紗器中的流體域進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析轉(zhuǎn)杯紡紗器中氣流場(chǎng)的形成機(jī)制，為后續(xù)轉(zhuǎn)杯紡紡紗參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。

1 工況設(shè)計(jì)

圖1示出抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗器示意圖。實(shí)際工作時(shí)，轉(zhuǎn)杯紡紗器的抽氣孔會(huì)連接氣泵，從而將紡紗器中的空氣抽出，而轉(zhuǎn)杯中的氣體也會(huì)由杯口出氣口流出，同時(shí)新的氣體會(huì)由輸纖通道入口和引紗通道入口補(bǔ)入，從而實(shí)現(xiàn)紡紗器中氣體的持續(xù)流動(dòng)。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)杯在軸承和電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，從而形成轉(zhuǎn)杯紡紗器中特定的氣流場(chǎng)以及加捻環(huán)境。

圖1 轉(zhuǎn)杯紡紗器示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor spinning unit

由上述轉(zhuǎn)杯紡紗器工作機(jī)制可知，轉(zhuǎn)杯紡紗器在工作時(shí)主要受2種外界作用機(jī)制控制：一是氣泵的抽氣機(jī)制，其會(huì)在轉(zhuǎn)杯口產(chǎn)生抽氣作用從而將轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣體抽出；另一個(gè)是旋轉(zhuǎn)機(jī)制，即在軸承和電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)杯會(huì)高速旋轉(zhuǎn)。為探索這2種外界作用機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗器氣流場(chǎng)形成的作用，本文設(shè)計(jì)了3種工況，如表1所示。其中工況1和3中的氣泵工況功率相同，且轉(zhuǎn)杯出口負(fù)壓是利用電子負(fù)壓表在對(duì)應(yīng)的實(shí)際工況下測(cè)量得出。

表1 工況設(shè)計(jì)Tab.1 Operating conditions design

2 模型建立與數(shù)值求解

2.1 模型建立

圖2示出轉(zhuǎn)杯紡紗器計(jì)算域的幾何模型圖。圖中轉(zhuǎn)杯出口高度h為2 mm，引紗通道直徑d1為 3 mm， 轉(zhuǎn)杯直徑D為54 mm，滑移角θ為68°，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)：H1為16 mm；H2為11 mm；d2為10 mm。

圖2 計(jì)算域幾何模型圖Fig.2 Dimensions of computational domain

2.2 控制方程

轉(zhuǎn)杯紡紗器中的氣流流動(dòng)可視為不產(chǎn)生熱交換且不可壓縮的黏性湍流流動(dòng)[5, 8, 10]，故該系統(tǒng)的控制方程僅需考慮質(zhì)量守恒方程(1)和動(dòng)量守恒方程(2)， 具體表述如下：

div(ρu)=0,

(1)

(2)

式中：div表示散度運(yùn)算；ρ為氣流密度，kg/m3；u為氣流速度矢量，m/s；ui為u在xi方向上的分量，m/s；t為時(shí)間，s;μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；grad表示梯度運(yùn)算；p為氣流靜壓，Pa；Si為xi方向上的廣義源項(xiàng)?？紤]到轉(zhuǎn)杯紡紗器中的湍流流動(dòng)雷諾數(shù)較大，本文中采用Realizablek-ε模型[11]來(lái)進(jìn)行湍流的數(shù)值運(yùn)算，并在近壁面處采用壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

2.3 網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

本文通過(guò)ICEM CFD 15.0對(duì)計(jì)算域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體單元，并對(duì)計(jì)算域中流體變化較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值計(jì)算精度和計(jì)算效率也有影響。為消除該影響，本文劃分了3種網(wǎng)格，網(wǎng)格單元分別為833 936(網(wǎng)格1)， 1 180 164(網(wǎng)格2)， 1 640 370(網(wǎng)格3)，并進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示。由圖可知，基于這3種網(wǎng)格得到的速度分布規(guī)律及數(shù)值較為接近，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，本文采用網(wǎng)格2進(jìn)一步模擬計(jì)算，所劃分的計(jì)算域網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 3種網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.3 Mesh independency test for three different grid schemes: velocity magnitude. (a) Along X-axis at y=10 mm; (b) Along Y-axis in direction of center axis of transfer channel

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件示意圖Fig.4 Meshed model and boundary conditions of computational domain

2.4 邊界條件和數(shù)值求解

因轉(zhuǎn)杯紡紗器在工作時(shí)由分梳輥向輸纖通道輸送纖維，在該過(guò)程中氣流亦由分梳輥流入，故將輸纖通道入口設(shè)為速度入口邊界，3種工況下該入口速度分別為27.50、3.90、28.10 m/s。因引紗通道口與外界大氣相通，故引紗通道口設(shè)為壓力入口，其值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.01×105Pa)。由上述內(nèi)容可知，轉(zhuǎn)杯出口處的間隙即為壓力出口，3種工況下該值與表1相同，并且計(jì)算域模型中的固體壁面均采用無(wú)滑移邊界條件，工況2和3中的轉(zhuǎn)杯壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速。

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent用有限體積法來(lái)求解控制方程，并用商業(yè)CFD軟件ANSYS 15.0 運(yùn)行模擬，采用SIMPLE計(jì)算方法以及二階迎風(fēng)格式求解守恒方程。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣流場(chǎng)速度分布

圖5為3種工況下轉(zhuǎn)杯紡紗器中的氣流場(chǎng)速度矢量分布圖。由圖可看出，在工況1(只抽不轉(zhuǎn))中，氣流進(jìn)入輸纖通道后不斷加速，最大速度出現(xiàn)在輸纖通道出口處，之后氣流繼續(xù)沿輸纖通道方向前進(jìn)，并直接與轉(zhuǎn)杯壁面發(fā)生碰撞，且碰撞后，氣流自碰撞壁面處一分為二，分別以順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蜓剞D(zhuǎn)杯壁面繼續(xù)流動(dòng)，但在流動(dòng)過(guò)程中速度不斷降低。在工況2(只轉(zhuǎn)不抽)中，氣流進(jìn)入輸纖通道后并無(wú)大幅度加速，由輸纖通道出口出來(lái)的氣流先是沿轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，并不斷加速，在到達(dá)轉(zhuǎn)杯壁面時(shí)速度達(dá)到最大，且轉(zhuǎn)杯壁面外徑越大處的速度值越大。同時(shí)在轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及氣流和壁面的摩擦力作用下，越靠近轉(zhuǎn)杯壁面的氣流流動(dòng)越明顯且氣流速度越大。而靠近轉(zhuǎn)杯中心軸的氣流較少且氣流速度較低，而在工況3(既抽又轉(zhuǎn))中，氣流在輸纖通道中的流動(dòng)特征同工況1相同，即氣流一進(jìn)入輸纖通道后就開(kāi)始不斷加速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的輸送，同時(shí)在輸纖通道出口處速度達(dá)到最大值。由輸纖通道流出后，氣流并未與轉(zhuǎn)杯壁面直接發(fā)生碰撞，而是沿轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向向轉(zhuǎn)杯壁面流動(dòng)，且該處氣流并沒(méi)有產(chǎn)生分支。此氣流流動(dòng)特征有利于纖維向轉(zhuǎn)杯滑移面的轉(zhuǎn)移以及纖維的有序排列。同時(shí)在轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及氣流和壁面的摩擦力作用下，氣流有向壁面流動(dòng)的趨勢(shì)，該特征有利于懸浮在轉(zhuǎn)杯中的纖維向轉(zhuǎn)杯滑移面轉(zhuǎn)移并向凝聚槽集聚。

圖5 3種工況下氣流場(chǎng)速度矢量分布圖Fig.5 Velocity vector distribution of airflow field in master view (a) and bottom view (b)

由上述3種工況下氣流速度矢量的分布特征可看出，工況3的輸纖通道中氣流流動(dòng)特征主要由轉(zhuǎn)杯口的抽氣作用決定，但其氣流最高速度(160 m/s) 大于抽氣作用機(jī)制單獨(dú)運(yùn)作時(shí)的氣流最高速度(149 m/s)， 說(shuō)明工況3的最大氣流速度是由轉(zhuǎn)杯口的抽氣作用和轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)作用疊加產(chǎn)生的。出輸纖通道后，氣流沿轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)也表明該處的氣流流動(dòng)明顯受到轉(zhuǎn)杯的旋轉(zhuǎn)作用的影響。綜上可以看出，轉(zhuǎn)杯紡紗器在正常工作時(shí)其內(nèi)部氣流場(chǎng)速度分布特征是由這2種外界作用機(jī)制共同決定的。

3.2 氣流場(chǎng)靜壓分布

圖6示出3種工況下轉(zhuǎn)杯紡紗器中的氣流場(chǎng)靜壓分布圖。由圖可知，工況1中的轉(zhuǎn)杯內(nèi)負(fù)壓環(huán)境相對(duì)較為均勻，但在輸纖通道出口所對(duì)的轉(zhuǎn)杯壁面上出現(xiàn)明顯的局部高壓區(qū)，這是由于在轉(zhuǎn)杯出口抽氣作用下，氣流與轉(zhuǎn)杯壁面發(fā)生碰撞而形成的。工況2中的氣壓分布明顯與工況1不同，轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的氣壓幾乎成均勻環(huán)狀分布，未在轉(zhuǎn)杯壁面上形成明顯的局部高壓區(qū)，說(shuō)明由輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯的氣流未與轉(zhuǎn)杯壁面發(fā)生碰撞，且氣流由轉(zhuǎn)杯出口均勻流出。工況3的氣壓分布特征同工況1相似，但輸纖通道出口所對(duì)轉(zhuǎn)杯壁面上的局部高壓區(qū)梯度相較工況1中的局部高壓區(qū)梯度偏少，說(shuō)明工況3中氣流與轉(zhuǎn)杯壁面的碰撞相較工況1中的碰撞作用偏弱，與上述該處氣流沿轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向流向壁面相符；工況3中的最大負(fù)壓絕對(duì)值為13 300 Pa，大于工況1中的最大負(fù)壓絕對(duì)值12 200 Pa，說(shuō)明工況3中的氣壓分布也受轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)機(jī)制的作用。

為進(jìn)一步了解3種工況下轉(zhuǎn)杯內(nèi)部靜壓分布情況，本文對(duì)y=10 mm處X軸上的靜壓值進(jìn)行了提取和分析，結(jié)果如圖7所示。可看出，工況3所對(duì)應(yīng)X軸上的壓力值分布趨勢(shì)同工況1中相應(yīng)的壓力值分布趨勢(shì)相似，而工況2中的壓力絕對(duì)值明顯小于另2種工況，說(shuō)明由轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)機(jī)制產(chǎn)生的負(fù)壓較小，但工況3中的壓力絕對(duì)值基本均大于工況1中的對(duì)應(yīng)值，再次表明工況3中的氣壓分布也受轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)機(jī)制的疊加作用。

圖6 3種工況下氣流場(chǎng)靜壓分布圖Fig.6 Air pressure distribution of airflow field in case 1(a), case 2 (b) and case 3 (c)

圖7 3種工況下y=10 mm處X軸上氣壓分布Fig.7 Air pressure distribution of airflow field along X at y=10 mm in 3 cases

4 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)3種工況下轉(zhuǎn)杯紡紗器的氣流場(chǎng)速度分布和壓力分布特征進(jìn)行了分析，探究了轉(zhuǎn)杯紡紗器中抽氣機(jī)制和旋轉(zhuǎn)機(jī)制對(duì)紡紗器中氣流場(chǎng)形成的作用。得出如下結(jié)論：

1)轉(zhuǎn)杯紡紗器在正常工作時(shí)的氣流場(chǎng)是在其抽氣機(jī)制和旋轉(zhuǎn)機(jī)制共同作用下形成的。在轉(zhuǎn)杯口的抽氣作用主導(dǎo)下，氣流自輸纖通道流入后不斷加速，在輸纖通道出口處速度值最大。隨后在轉(zhuǎn)杯的旋轉(zhuǎn)作用下，氣流順轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向流向轉(zhuǎn)杯壁面。轉(zhuǎn)杯中的負(fù)壓環(huán)境整體分布較為均勻，但在輸纖通道出口所對(duì)的轉(zhuǎn)杯滑移面上存在局部高壓區(qū)。

2)轉(zhuǎn)杯口的抽氣作用為纖維在紡紗器中的輸送提供了必要的氣流速度和負(fù)壓條件，轉(zhuǎn)杯的旋轉(zhuǎn)作用為纖維向轉(zhuǎn)杯滑移面的順利轉(zhuǎn)移和纖維在滑移面上的有序排列以及向凝聚槽的凝聚提供了保障。