轉(zhuǎn)杯直徑及凝聚槽對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響

何 闖，楊瑞華

(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)

轉(zhuǎn)杯紡具有高速高產(chǎn)、大卷裝、工藝流程短、適紡原料廣泛、成紗性能好等突出特點(diǎn)，是一種通過(guò)強(qiáng)負(fù)壓空間內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)氣流完成纖維的輸送、凝聚和并合并最終加捻成紗的新型紡紗方法[1]。

隨著氣流紡紗的發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)及分布極其復(fù)雜，又很難直接研究氣流分布的規(guī)律，而通過(guò)現(xiàn)代仿真技術(shù)就可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。張奇等[2]運(yùn)用FLUENT軟件模擬了紡杯內(nèi)的氣流流動(dòng)特征，驗(yàn)證了氣流仿真方法的可行性。劉超等[3]在FLUENT中分析了T型、U型、S型凝聚槽內(nèi)氣流流動(dòng)特征，認(rèn)為凝聚槽內(nèi)速度大小為T＞U＞S。林惠婷[4]在FLUENT中對(duì)輸纖通道中的氣流進(jìn)行了模擬分析，認(rèn)為輸纖通道截面上氣流的速度分布不勻。但隨著轉(zhuǎn)杯規(guī)格的多樣化，高速旋轉(zhuǎn)封閉空間的強(qiáng)負(fù)壓氣流運(yùn)動(dòng)特性也隨之發(fā)生波動(dòng)，需要對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗器中氣流流動(dòng)特性的深入研究。

為了進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究分析，本文對(duì)不同直徑及不同凝聚槽類型的轉(zhuǎn)杯進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析模擬流場(chǎng)數(shù)值，研究氣流在轉(zhuǎn)杯內(nèi)運(yùn)動(dòng)特征，分析模擬數(shù)據(jù)，以期對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗工藝的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 成紗器建模

1.1 CFD成紗器建模

圖1 CFD成紗器模型

圖2 輸棉通道側(cè)視圖

圖3 輸棉通道出入口示意圖

圖1為CFD成紗器模型，為了研究轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀況，引入了可壓縮黏性流動(dòng)的湍流模型[4]。在輸棉通道的側(cè)視圖中，如上頁(yè)圖2所示，其側(cè)視投影近似于一個(gè)去掉尖端的楔形，通過(guò)其出入口的對(duì)比，可以看出，在輸棉通道的寬度(如圖3所示的Z軸方向)上出入口基本一致，Z軸方向的輸棉通道幾乎無(wú)變化，因此近似的將輸棉通道視為一個(gè)二維楔形層流場(chǎng)，忽略Z軸方向上的變化。為對(duì)比不同直徑的轉(zhuǎn)杯以及不同類型凝聚槽的轉(zhuǎn)杯間氣流運(yùn)動(dòng)的差異，選取了抽氣式33 mm、36 mm、42 mm、46 mm直徑的T型凝聚槽轉(zhuǎn)杯和36 mm直徑的G型、U型、V型凝聚槽進(jìn)行建模及模擬。

1.2 初始條件

經(jīng)計(jì)算入口邊界條件為0.0054 kg3/s，出口設(shè)置為－8000 Pa[5]，負(fù)壓出口為垂直壁面方向。轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)速度為120000 r/min[6]，壁面條件為旋轉(zhuǎn)類型。對(duì)于轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流分布，在不考慮熱交換的情況下，假定轉(zhuǎn)杯中的氣流為可壓縮的定常流動(dòng)，氣體流場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型[7]。用SIMPLE算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解[8]，該流動(dòng)滿足的流動(dòng)方程見公式(1)和公式(2)。

式中ρ為氣體密度，μ為氣體動(dòng)力黏性系數(shù)，Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響，σk和σz分別為湍流動(dòng)能k與耗散能ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)。

2 轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)分析

2.1 不同直徑轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)分析

分別對(duì)T型凝聚槽轉(zhuǎn)杯中的33 mm、36 mm、42 mm、46 mm直徑轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的氣流運(yùn)動(dòng)情況以及分布情況進(jìn)行對(duì)比分析。氣流的流線圖軌跡顯示氣體流動(dòng)的趨勢(shì)，顏色表示氣流速度的變化，由藍(lán)色到紅色表示速度由小變大。

圖4 直徑33 mm成紗器內(nèi)氣流流線圖

圖5 直徑33 mm成紗器內(nèi)旋渦圖

圖6 直徑36 mm成紗器內(nèi)氣流流線圖

圖7 直徑36 mm成紗器內(nèi)旋渦圖

圖8 直徑42 mm成紗器內(nèi)氣流流線圖

圖9 直徑42 mm成紗器內(nèi)旋渦圖

圖10 直徑46 mm成紗器內(nèi)氣流流線圖

圖11 直徑46 mm成紗器內(nèi)氣流圖

圖12 不同直徑轉(zhuǎn)杯輸纖通道內(nèi)氣流速度

從圖12中得出，氣流在呈收縮狀的輸纖通道中是逐漸加速的過(guò)程，在輸纖通道出口處，氣流的速度達(dá)到最高約150 m/s。氣流在這四種直徑轉(zhuǎn)杯的輸纖通道中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)幾乎相同，但在氣流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變。從上頁(yè)圖4、上頁(yè)圖5中，33 mm轉(zhuǎn)杯輸纖通道出口處的高速氣流與轉(zhuǎn)杯碰撞后，氣流的速度降低并產(chǎn)生了分流，如上頁(yè)圖4中序號(hào)1、2所示。轉(zhuǎn)杯同向轉(zhuǎn)動(dòng)的氣流流量占主體，沖向凝聚槽內(nèi)與轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)動(dòng)，氣流速度約為60 m/s。另一小部分氣流逆轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，之后，在轉(zhuǎn)杯底部某處兩股運(yùn)動(dòng)方向相反的氣流交匯在一起，如上頁(yè)圖5的圓圈處所示，并形成旋渦。在旋渦中心處氣流的速度較旋渦外部低，旋渦中心處氣流的速度為15 m/s，旋渦外部的氣流速度為45m/s。旋渦的低速氣流與凝聚槽內(nèi)的高速氣流之間的速度差對(duì)于轉(zhuǎn)杯內(nèi)纖維的伸直具有一定作用。

從上頁(yè)圖6、上頁(yè)圖7中可知，36 mm轉(zhuǎn)杯底部的旋渦較33 mm轉(zhuǎn)杯形狀發(fā)生了變化，36 mm轉(zhuǎn)杯底部的中心位置出現(xiàn)“龍卷風(fēng)”似的旋渦，這部分旋渦的速度較低，約為15 m/s，旋渦外部氣流的速度分布為30 m/s。旋渦會(huì)加速機(jī)械能的耗損，增加物體的流動(dòng)阻力，降低機(jī)械效率。

從上頁(yè)圖8、圖9中可知，42 mm轉(zhuǎn)杯輸纖通道出口處的高速氣流與轉(zhuǎn)杯碰撞后，逆轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向的氣流流量比33 mm、36 mm轉(zhuǎn)杯多，同時(shí)碰撞后失速嚴(yán)重的氣流也較多，甚至速度由90 m/s－102 m/s驟降至0 m/s－15 m/s。轉(zhuǎn)杯底部也出現(xiàn)了“龍卷風(fēng)”似的旋渦，旋渦中心速度為15 m/s左右，旋渦外部速度為30m/s；與36 mm轉(zhuǎn)杯旋渦不同的是，42 mm轉(zhuǎn)杯內(nèi)的旋渦形態(tài)更加扭曲變形，進(jìn)而影響整個(gè)轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

從圖10、圖11可知，從46 mm轉(zhuǎn)杯輸纖通道出口流出的高速氣流與轉(zhuǎn)杯碰撞后并未出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向的氣流分支，轉(zhuǎn)杯底部氣流的速度大多分布在30 m/s。與其他三種直徑的轉(zhuǎn)杯相比，46 mm轉(zhuǎn)杯底部并沒有出現(xiàn)較為明顯的渦流，且轉(zhuǎn)杯內(nèi)出現(xiàn)了亂流，這些亂流的速度較低，大多分布在15 m/s。由于這些亂流的存在，會(huì)影響轉(zhuǎn)杯內(nèi)其他氣流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯受到不平衡力的作用，嚴(yán)重威脅轉(zhuǎn)杯的使用壽命。由表1及上頁(yè)圖5、圖7、圖9可知，三種直徑轉(zhuǎn)杯底部的旋渦中心速度均為15 m/s，33 mm旋渦外部的速度為45 m/s；36 mm、42 mm旋渦外部速度相同，為30 m/s。旋渦內(nèi)外部的速度差有利于彎曲纖維進(jìn)一步的伸直。

表1 轉(zhuǎn)杯底部旋渦速度分布

2.2 不同凝聚槽類型轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)T型、G型、U型、V型凝聚槽的36 mm轉(zhuǎn)杯進(jìn)行對(duì)比分析，模擬在不同類型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)以及分布情況。其中，36 mm直徑T型凝聚槽轉(zhuǎn)杯在上一節(jié)中已經(jīng)分析過(guò)，故本節(jié)內(nèi)只列舉G、U、V三種凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)及分布情況。

圖13 G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流流線圖

圖14 G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)旋渦圖

圖15 U型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流流線圖

圖16 U型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)旋渦圖

圖17 V型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)流線圖

36 mm的T、G、U、V四種凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流速度分布見表2。

表2 四種凝聚槽轉(zhuǎn)杯中旋渦速度分布

如圖13所示，G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯從輸棉通道流出的高速氣流與轉(zhuǎn)杯壁碰撞后分為較為明顯的兩股氣流，如圖13中序號(hào)1、2所示，與轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向相同的氣流占大多數(shù)，逆轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向的氣流占比相對(duì)較少，流動(dòng)速度也較低，速度分布在15 m/s。如圖13所示，36 mm的G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯底部的旋渦形態(tài)與T型凝聚槽轉(zhuǎn)杯有較大區(qū)別。36 mm的T型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)旋渦形態(tài)較為緊密，而G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)的旋渦形態(tài)較為松散，旋渦的內(nèi)層氣流速度較低，分布在15 m/s，旋渦的外層氣流速度分布在30 m/s。

從圖15中與圖13可以看出36 mm的U型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的分布與G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯較為相似；通過(guò)圖16和圖14得出，U型凝聚槽轉(zhuǎn)杯和G型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流旋渦形態(tài)也較為相似。但在旋渦附近，U型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡較為不穩(wěn)定，失速情況更為嚴(yán)重，旋渦內(nèi)外層速度均為15m/s。

從圖17中可以看出相比于其他三種類型的凝聚槽轉(zhuǎn)杯，V型的低速氣流都集中于轉(zhuǎn)杯底部的中心處，速度約為15 m/s，另外氣流離開輸棉通道后，幾乎全都是隨轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)動(dòng)的氣流。從圖18中可以看出，在V型凝聚槽以及轉(zhuǎn)杯底部的邊緣區(qū)域，氣流的失速程度較低，速度大都在45 m/s，僅在轉(zhuǎn)杯底部中心的旋渦處才出現(xiàn)較大的降速現(xiàn)象，速度約為15 m/s。

3 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件的CFD模塊對(duì)轉(zhuǎn)杯以及輸棉通道進(jìn)行建模，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型獲得相關(guān)參數(shù)，得出了不同轉(zhuǎn)杯直徑以及不同類型凝聚槽下氣流的運(yùn)動(dòng)特征。從模擬的結(jié)果來(lái)看，氣流在輸纖通道中做加速運(yùn)動(dòng)，速度分布為15 m/s－150 m/s，在輸纖通道出口處氣流速度達(dá)到最大150 m/s；不同直徑的T型凝聚槽轉(zhuǎn)杯的比較中，33 mm、36 mm、42 mm轉(zhuǎn)杯在轉(zhuǎn)杯底部中心位置均出現(xiàn)了旋渦，其中33mm轉(zhuǎn)杯的旋渦內(nèi)部速度為15 m/s，旋渦外部速度約為45 m/s；36 mm、42 mm轉(zhuǎn)杯內(nèi)旋渦內(nèi)部速度均為15 m/s，旋渦外部速度為30 m/s；直徑46 mm轉(zhuǎn)杯內(nèi)出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜的氣流，但未形成較為明顯的渦流，其速度為15 m/s；在直徑為36 mm的T、G、U、V型凝聚槽轉(zhuǎn)杯的比較中，四種凝聚槽類型的轉(zhuǎn)杯底部均出現(xiàn)了旋渦，其中T、G、U三種類型轉(zhuǎn)杯內(nèi)旋渦形態(tài)比V型密集，但四者旋渦中心的速度都約在15 m/s。