自排風式轉杯紡紗通道內部氣流場數值模擬

摘要：為深入研究自排風式轉杯氣流紡紗機理，借助流體動力學技術對其紡紗通道流場進行數值模擬。通過ICEM CFD和FLUENT仿真平臺，構建基于RNG kε湍流方程的單相穩(wěn)態(tài)流場物理模型。壓力速度耦合模擬結果表明：由輸纖管道入口至出口方向，靜壓逐段減小、動壓逐段增大，且氣流流速呈遞增式分布，出口處最大動壓約6953 Pa、最大氣流速度約99.23 m/s;在來流交匯區(qū)域，存在梯度明顯的局部壓力場，最大湍流速度約93 m/s;氣流在凝聚槽附近具有較大軸向和切向速度，有利于纖維束的滑移和凝聚;排氣孔內部氣流流速穩(wěn)定，最大排氣速度約33～41 m/s;輸纖管道氣流補給對于紡紗通道流場形成起主導作用，由引紗管補給的少量氣流主要用于平衡腔內負壓，有助于探究自排風式轉杯的輸纖成紗工藝和氣流場特性。

關鍵詞：轉杯;數值模擬;紡紗通道;壓力場;速度場;FLUENT仿真

中圖分類號：TS104.7;TH113文獻標志碼：A文章編號：1009265X（2022）03010809

Numerical simulation of airflow field in spinning channel

on automatic airexhauster rotor

QIU Haifei

Abstract： To conduct an indept study on the spinning mechanism of selfexhaust rotor spinner， numerical simulation of the flow field of its spinning channel was performed using fluid dynamics technology. A physical model of the singlephase steadystate flow field was constructed based on RNG kε turbulence equation using ICEM CFD and FLUENTsoftware. The pressurevelocity coupling simulation results show that， from inlet to outlet of fiber feeding pipeline， the static pressure decreases gradually， while the dynamic pressure increases and the flow velocity in the pipeline is increasingly distributed. The maximum dynamic pressure of 6953 Pa and air velocity of 99.23 m/s at the outlet respectively. Besides， there exists a local pressure field with obvious gradient in the converging area of incoming flow， and the the maximum turbulent velocity at the area is about 93 m/s. The airflow exhibits a relatively large axial velocity and tangential velocity near the condensation tank， which is conducive to slip and condensation of the fiber bundle. The air flow velocity in the exhaust hole is stable， the maximum exhaust velocity of about 33～41 m/s. The airflow supply from the fiber pipeline plays a predominant role in the formation of flow field inside the spinning channel， and a small amount of airflow supplied by the fiber feeding pipeline is mainly used to balance negative pressure in the rotor， which can help explore the fiber feeding and yarn forming process of the self airexhaust rotor， as well as the airflow field characteristics.

Key words： rotor; numerical simulation; spinning channel; pressure field; velocity field; FLUENT simulation

轉杯紡是一種具有高速高效特性的新型氣流紡紗技術[1]。根據紡織國家標準FZ/T 93053—2010《轉杯紡紗機 轉杯》，可將轉杯分為兩種形式，即抽氣式轉杯和自排風式轉杯。其中，自排風式轉杯動力消耗少、設備成本低，主要適用于紡制非棉（如毛、麻等）及其混紡產品。生產實踐表明，當自排風式轉杯以數萬轉每分鐘（50000～70000 r/min）超高轉速運轉時，紡紗通道內部壓力場、速度場分布狀態(tài)會對纖維的輸送、凝聚、加捻成紗等產生重要影響。

在轉杯紡紗工藝及其氣流場數值模擬方面，現有科學研究和技術探索以抽氣式轉杯為主，如：劉超等[2]構建了抽氣式轉杯紡紗通道三維氣流場，并通過數值模擬對U型凝聚槽和V型凝聚槽的流場特性進行了分析比較;張奇等[3]通過二維流場數值模擬，分析了抽氣式轉杯內部氣流流動特征，驗證了纖維在紡紗通道內部的運動趨勢;武傳宇等[4]以RFRS10型紡紗機為依據，構建了抽氣式轉杯紡紗通道三維流場模型，并研究了滑移面角度對氣流場的影響。相比之下，鮮有見到針對自排風式轉杯氣流場模擬研究的相關文獻。本文通過綜合運用氣流紡紗工藝原理、流體動力學理論、三維特征建模及現代CFD技術等，實現了自排風式轉杯紡紗通道氣流場構建和數值模擬，對于該型轉杯氣流紡紗機理研究具有重要參考價值和現實意義。

1負壓的形成

不同于抽氣式轉杯依靠外置風機形成負壓，自排風式轉杯在底側部設有8個等距通孔，如圖1所示，其紡紗通道結構主要由輸纖管道、轉杯、引紗管、杯蓋、隔離盤等構成。在輸纖成紗過程中，轉杯通過高速回轉產生持續(xù)離心力，杯內氣流在離心力作用下從排氣孔排出，從而使紡紗通道內域產生真空度形成負壓[5]。與此同時，外部氣流在負壓吸力作用下從輸纖管道和引紗管補進轉杯內腔，并將纖維流和種子紗吸入轉杯進行紡紗作業(yè)。

2紡紗通道流域模型

2.1幾何建模與網格劃分

以某型自排風式轉杯為參考，對其紡紗通道進行功能劃分和結構分析，在SolidWorks平臺上建立基于幾何特征的三維CAD模型。轉杯滑移面角度為22°，輸纖管道傾角為35°，凝聚槽類型為V型，杯底側部8個排氣孔沿圓周方向均布。通過數據接口程序將三維幾何模型導入ICEM CFD進行編輯、修正和拓撲重構。為便于紡紗通道內流域壁面構建和網格劃分，對幾何模型結構進行簡化處理，忽略隔離盤及局部細小特征影響。

考慮到紡紗通道結構復雜、氣流多變，采用拓撲更為靈活的非結構性四面體混合網格（Tetra/Mied）對其進行結構離散，構建如圖2所示流體計算域網格模型。為保證數值模擬精度和結果可靠性，根據紡紗通道內部功能分區(qū)和氣流場狀態(tài)，分別對轉杯、輸纖管道、杯蓋、引紗管、進出口面及流體域的網格大小進行獨立控制，并在凝聚槽、氣流進出口面等關鍵流域細化局部網格。在整個紡紗通道流域內，ICEM CFD網格劃分共產生3418481個單元和588732個節(jié)點。

2.2邊界條件設置

根據自排風式轉杯紡紗工藝要求，在FLUENT環(huán)境下定義紡紗通道流場邊界條件。設定重力加速度（-9.8 m/s2）沿轉杯中心軸線向下，紡紗車間操作環(huán)境定義為一個標準大氣壓（101325 Pa）。將轉杯、排氣孔與氣流接觸區(qū)設定為旋轉壁面，并定義相

對轉速為65000 r/min，旋轉方向沿轉杯中心軸線向上;將輸纖管道內壁面、引紗管內壁面以及杯蓋內壁面設定為無滑移靜止壁面;為方便CFDPost后處理，在引紗管氣流出口和輸纖管道氣流出口處分別設定過渡面（interior），由此將紡紗通道內流域劃分為3部分，即輸纖管道流域、引紗管流域和轉杯內腔流域。

為保證紡紗通道內部氣流平衡，須使輸纖管道氣流速度大于分梳輥表面纖維輸送速度。將輸纖管道氣流入口定義為質量流量進口（massflowinlet），當分梳輥轉速為9000 r/min時，在其表面產生輸送纖維的氣流速度為1800 m/min[6]，因此設定輸纖管道入口氣流速度為2600 m/min，即v=46.67 m/s。輸纖管道入口截面面積s≈29.625 mm2，大氣密度ρ=1.205 kg/m3，則單位時間內進入輸纖管道的氣流質量m=ρsv=0.00167 kg/s。將引紗管氣流入口設定為壓力入口（pressureinlet），定義相對壓力為0 Pa。

由自排風式轉杯負壓形成機理可知，外部氣流從輸纖管道和引紗管補入轉杯內腔，然后在離心力作用下通過底部8個小孔排出。由于排氣孔流域的氣流速度和壓力分布尚不清楚，所以將排氣孔出口邊界類型設定為outflow。

3流場殘差曲線

在超高速回轉狀態(tài)下，負壓驅動會使紡紗通道內部產生馬赫數Ma>0.3的湍流場[7]，所以選用FLUENT環(huán)境下的RNG kε湍流方程構建紡紗通道單相穩(wěn)態(tài)流場物理模型。相對于標準kε湍流模型，RNG kε模型考慮了流場的湍流旋渦和低雷諾流動黏性，具有更高的模擬精度和可信度[8]。

通過Hybrid方法初始化紡紗通道流場及其邊界，并在輸纖管道、引紗管和排氣孔處設置質量流量監(jiān)測區(qū)域。采用SIMPLE算法、標準壁面函數和二階迎風格式進行壓力速度耦合求解[9]，得到如圖3所示紡紗通道流場數值模擬殘差收斂曲線。分析圖3（a）可知，連續(xù)性殘差（continuity）曲線在將近30步迭代計算后迅速下降且變化平穩(wěn)，說明紡紗通道進出口氣流流動滿足連續(xù)性方程（質量守恒方程）。

由圖3（b）所示質量流量差（mass flow rate）變化曲線可知，在迭代計算初期曲線振蕩明顯，說明紡紗通道進出口氣流質量變化劇烈、穩(wěn)定性較差，但隨著迭代步數增加，進出流場的氣流質量逐漸趨于穩(wěn)定，即質量流量差曲線最終收斂于一條直線。通過Report/Flux計算得到紡紗通道進出口質量流量差Δm=0.00094 g/s，由FLUENT質量流量差收斂準則可知，當Δm<0.5%時迭代計算結果收斂[10]。由此可見，數值模擬結果能夠很好的滿足收斂性要求。

4數值模擬結果及分析

4.1流場壓力狀態(tài)

4.1.1軸向壓力場

軸向壓力分布會對纖維的輸送與滑移產生重要影響。在輸纖管道垂直截面上，管道內部靜壓梯度十分明顯，如圖4（a）所示，靜壓壓力值從入口至出口逐段減小;總體來看，轉杯內腔靜壓大部分介于-638～198 Pa之間，但在靠近輸纖管道氣流出口處存在部分負值靜壓區(qū)（-1474～-3147 Pa），說明轉杯內腔大部分流域壓力低于標準大氣壓，有利于外部氣流順利進入紡紗通道。與靜壓不同，腔內動壓從輸纖管道入口向出口逐漸增大，如圖4（b）所示，尤其在靠近氣流出口處存在明顯高壓區(qū)，最大壓力值約6953 Pa，相比之下，其它流域動壓較小且分布平穩(wěn)（<695 Pa）。由此可見，紡紗通道內流場存在明顯動壓壓力差，可為纖維輸送和氣流進補提供有效動力。

由于輸纖管道出口來流處壓力梯度變化較大，使得引紗管垂直截面上的壓力場分布也受到一定影響，如圖5所示，在靠近輸纖管道氣流出口一側，靜壓和動壓狀態(tài)相對于其它流域存在明顯突變，最大靜壓出現在凝聚槽邊緣區(qū)域（約2397 Pa），有利于纖維束快速進入凝聚槽;動壓變化約在642～3851 Pa之間，可見這一流域動壓梯度變化較大，由此產生的局部壓力差對于引紗管氣流補入具有積極作用。

4.1.2徑向壓力場

纖維流進入轉杯內腔后，將在氣流壓力和離心力共同作用下沿滑移面進入凝聚槽[11]。由圖6所示壓力場分布可知，從轉杯中心至凝聚槽邊緣，靜壓分布總體穩(wěn)定，但在臨近輸纖管道氣流出口區(qū)域存在明顯梯度變化，特別是在凝聚槽邊緣區(qū)域存在較大靜壓區(qū)，最大壓力值約4238 Pa;由于氣流黏性和離心力影響，動壓從凝聚槽邊緣向轉杯中心區(qū)域逐漸減小，且外邊緣動壓呈環(huán)形分布、層界清晰，壓力范圍約在744～7441 Pa之間。比較可知，外邊緣動壓值遠高于轉杯中心流域，說明凝聚槽流域分布有較大動壓，有助于槽內氣流流動和纖維凝聚。

4.2流場速度狀態(tài)

4.2.1速度矢量場

通過紡紗通道內流域三維速度矢量場，可以清楚看到旋轉壁面、靜止壁面以及整個流體計算域的氣流速度分布狀態(tài)，如圖7所示。當轉杯以65000 r/min高速回轉時，由于轉杯內腔負壓和離心力作用，外部氣流從輸纖管道和引紗管源源不斷地進入轉杯內部，然后沿滑移面自上而下旋轉進入凝聚槽，最終大部分氣流從杯底8個排氣孔排出。比較圖7（a）、圖7（b）可知，轉杯內腔氣流流向呈旋轉狀態(tài)，而且凝聚槽邊緣氣流速度明顯大于其它流域，約在101～127 m/s之間，符合自排風式轉杯氣流流速分布特征。

在輸纖成紗過程中，紡紗通道內部伴有連續(xù)性復雜氣流變化，特別是在輸纖管道、凝聚槽、滑移面、引紗管、排氣孔等流域，氣流速度對于纖維的輸送、滑移、凝聚及加捻成紗等至關重要[12]。通過CFDPOST后處理，獲得如圖8所示相關流域速度二維矢量場，分析可知，由于輸纖管道氣流出口區(qū)域被壓縮，因此進入轉杯內腔的氣流流速在此區(qū)域迅速增大，如圖8（a）所示，最大來流速度約81～93 m/s，同時可以清楚看到，在來流交匯處存在明顯的旋渦狀湍流速度;從引紗管進入轉杯內腔的氣流速度矢量場如圖8（b）所示，分析可知，在離心力和負壓作用下，一部分氣流匯入湍流速度場和凝聚槽，另一部分氣流則由排氣孔排出。

比較圖8（c）和圖8（d）可知，凝聚槽和轉杯蓋水平截面上的氣流速度矢量場呈旋轉狀態(tài)，而且氣流轉速都是從轉杯中心向外邊緣逐漸增大，即凝聚槽和滑移面上的氣流流速高于轉杯中心區(qū)域;進入紡紗通道的氣流最終從轉杯底部通孔排出，如圖8（e）所示，由矢量箭頭密度及流向可知，8個排氣孔內的氣流流速分布較為均勻，孔內最大氣流速度約33～41 m/s，可見紡紗通道排氣效能良好，對于轉杯內腔形成穩(wěn)定負壓具有促進作用。

4.2.2關鍵流域速度曲線

在杯內負壓作用下，外部氣流從輸纖管道被吸入紡紗通道。在輸纖管道縱截面上作如圖9（a）所示截線F1-F2，對比圖9（b）分析可知，從輸纖管道入口（F1點）至出口（F2點）共分為4個區(qū)段，而且氣流流速沿截線F1-F2呈遞增式分布，其中，入口流速約46.4 m/s、出口流速約99.23 m/s?？傮w來看，輸纖管道內部氣流速度曲線光滑、平穩(wěn)，有利于纖維束的平直輸送。

在凝聚槽水平截面上作截線N1-N2，如圖10所示，其中N2點位于輸纖管道氣流出口一側的凝聚槽邊緣。由氣流速度云圖可清楚看到，在N2點附近流域存在明顯湍流速度。為深入研究纖維流的滑移和凝聚運動狀態(tài)，利用CFDPOST分別提取截線N1-N2上的氣流切向和軸向速度曲線，如圖11所示，其中，橫坐標為端點N1、N2距截線N1-N2中點距離，即凝聚槽邊緣距轉杯中心距離。

由于輸纖管道出口流域的湍流影響，使得在靠近N2點附近的氣流切向速度發(fā)生較大波動，如圖11（a）所示，符合圖10所示湍流速度場數值模擬預期。值得注意的是，在凝聚槽邊緣位置（即N1、N2點處），氣流切向速度相對較大，有利于纖維流沿凝聚槽進行凝聚。分析截線N1-N2上的氣流軸向速度曲線可知，在-0.016～0.016 m長度區(qū)間內，氣流軸向速度非常之?。ń咏?），可見在此區(qū)段內纖維流不會沿軸向落入轉杯底部;相比之下，在靠近N1、N2兩個端點處，氣流軸向速度迅速增大至約80 m/s，說明在杯體兩側區(qū)域具有較大軸向流速，有助于纖維流沿滑移面滑落至凝聚槽。

4.3氣流流線軌跡

進入紡紗通道的氣流分為兩路，如圖12所示流線軌跡。在轉杯離心力和負壓作用下，由輸纖管道補進的氣流自上而下旋轉流動，然后部分氣流從杯底排氣孔流出，如圖12（a）所示，最外層流線主要分布于旋轉壁面，不僅流線規(guī)律而且流速相對較快。由于輸纖管道出口區(qū)域湍流場影響，氣流流線在轉杯內腔來流交匯處發(fā)生紊亂，與紡紗通道壓力場和速度場數值模擬結果一致。

相對于輸纖管道，引紗管的氣流補給量相對較少，如圖12（b）所示，此路氣流進入轉杯后主要集中于凝聚槽以下區(qū)域，而且只有少量氣流進入凝聚槽參與纖維凝聚，其余大股氣流從靠近輸纖管道出口一側的排氣孔排出，還有部分氣流進入杯體底部作旋轉流動。由此可見，引紗管補給氣流對于纖維的輸送和凝聚影響較小，其主要功用是平衡紡紗通道內流場氣流密度，以使轉杯內腔形成穩(wěn)定負壓。

5結論

采用流體動力學技術對自排風式轉杯氣流紡紗的紡紗通道流場進行數值模擬，得到主要模擬結果如下：

a）輸纖管道內部存在明顯壓力梯度，從管道入口至出口，靜壓逐段減小、動壓逐段增大，氣流出口處最大動壓值約6953 Pa;相對于轉杯內腔其它流域，靠近輸纖管道出口流域的壓力場變化更為劇烈;凝聚槽水平截面上的靜壓分布相對均勻，動壓由轉杯中心區(qū)域向凝聚槽邊緣逐漸增大，最大動壓值約7441 Pa。

b）氣流在轉杯內腔自上而下呈旋轉流動狀態(tài)，凝聚槽一周流域的氣流流速明顯較大，約在101～127 m/s之間;在輸纖管道出口來流交匯區(qū)域存在旋渦狀湍流速度，最大湍流速度約93 m/s;8個排氣孔內的氣流速度矢量場分布較為均勻，最大排氣流速約33～41 m/s;氣流速度從輸纖管道入口至出口呈遞增式分布，出口處最大氣流流速約99.23 m/s;在凝聚槽邊緣流域，氣流軸向速度和切向速度明顯較大，有利于纖維流的滑移和凝聚。

c）從氣流流線軌跡來看，進出紡紗通道的氣流可分為兩路。由輸纖管道補進的氣流流向規(guī)律、軌跡清晰，整體流線輪廓呈旋轉狀態(tài)，對于纖維的輸送、滑移和凝聚起主導作用;相比之下，由引紗管進入轉杯內腔的氣流相對較少，而且只有少量氣流參與纖維凝聚，其余氣流則主要用于平衡轉杯內腔負壓。

d）在實際紡紗工況下，為避免來流交匯區(qū)域出現過大湍流場、降低紡紗氣流損耗，建議適當減小輸纖管道進出口壓縮比，使紡紗通道內部氣流更為集中的參與纖維流輸送，從而增強轉杯內部關鍵流域的速度場和壓力場強度，提高纖維輸送效率和成紗質量。

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收稿日期：20210419網絡出版日期：20210826

基金項目：陜西省教育廳科研計劃項目（15JK2177）;西京學院高層次人才專項基金資助項目（XJ20B09）;西京學院橫向課題資助項目（1815358）

作者簡介：邱海飛（1983-），男，陜西西安人，副教授，碩士，主要從事機電產品數字化設計與開發(fā)、機械系統(tǒng)動態(tài)設計方面的研究。