轉(zhuǎn)杯紡分梳排雜區(qū)的氣流場(chǎng)數(shù)值模擬

楊瑞華，何 闖，龔新霞，陳鶴文

(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、適紡性好等特點(diǎn)[1-2]。轉(zhuǎn)杯紡成紗過(guò)程中纖維束通過(guò)給棉羅拉進(jìn)入分梳腔，經(jīng)分梳輥分梳后呈單纖維進(jìn)入輸纖通道，纖維束中的雜質(zhì)由分梳排雜通道排出，分梳排雜的效果直接影響成紗的質(zhì)量，所以成紗前的分梳排雜工序尤其關(guān)鍵[3]。

朱文華等對(duì)氣流紡排雜紡紗器流場(chǎng)分布與排雜性能進(jìn)行了研究，探究了排雜紡紗器的必要性，并給出了不同排雜結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)分布的關(guān)系，認(rèn)為配備具有排雜裝置的紡紗器，能保證穩(wěn)定的紗線質(zhì)量[4]。郝全蘭等對(duì)抽氣式轉(zhuǎn)杯的排雜口大小和吸雜口的尺寸進(jìn)行了研究分析認(rèn)為，多落雜質(zhì)、少落纖維的重點(diǎn)是排雜補(bǔ)氣裝置通道的設(shè)計(jì)要合理，雜質(zhì)的排出路線要避免強(qiáng)氣流回收區(qū)，排雜口的設(shè)計(jì)并不是越大排雜效果越好[5]。林惠婷等采用數(shù)值模擬的方法分析了轉(zhuǎn)杯紡排雜區(qū)中氣流場(chǎng)的特征，結(jié)果表明，在排雜區(qū)較大雜質(zhì)易排出，微小雜質(zhì)易被回收[6]。以上研究可幫助理解排雜區(qū)機(jī)構(gòu)設(shè)置與氣流運(yùn)動(dòng)及成紗特點(diǎn)，但轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的分梳排雜裝置中氣流的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，氣流的速度、壓強(qiáng)和湍動(dòng)能分布規(guī)律尚有待進(jìn)一步研究[7-8]。

本文針對(duì)自由落雜分梳腔體(模型Ⅰ)和吸雜分梳腔體(模型Ⅱ)2種常用腔體采用SolidWorks進(jìn)行建模，使用Fluent 19.0仿真模擬分梳排雜裝置內(nèi)氣流的速度與壓強(qiáng)分布，為優(yōu)化轉(zhuǎn)杯紡紗器分梳排雜腔體的結(jié)構(gòu)提供參考。

1 轉(zhuǎn)杯紡分梳排雜通道氣流場(chǎng)模型

采用SolidWorks分別建立2種腔體的物理模型。自由落雜分梳腔體物理模型如圖1所示。該分梳排雜模型包括給棉條入口、排雜出口1、輸纖通道、輸纖通道出口2以及分梳腔。吸雜分梳腔體物理模型如圖2所示。該分梳排雜模型包括棉條入口1、工藝補(bǔ)氣入口2、吸雜補(bǔ)氣入口3、雜質(zhì)出口1、輸棉通道出口2。這2類模型中分梳輥與腔體之間的間隔都為1.5 mm，分梳輥半徑都是32.5 mm。

圖1 轉(zhuǎn)杯紡分梳排雜通道內(nèi)氣流場(chǎng)模型Ⅰ

圖2 轉(zhuǎn)杯紡分梳排雜通道內(nèi)氣流場(chǎng)模型Ⅱ

2 分梳排雜通道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

2.1 物理模型

分梳排雜通道內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)方式為復(fù)雜的湍流流動(dòng)[9]，模型滿足質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒[10-11]。

質(zhì)量守恒微分方程：

(1)

動(dòng)量守恒微分方程：

(2)

(3)

式中：i、j、k分別為沿空間直角坐標(biāo)系x、y、z軸的方向；uk為氣流速度在k方向的分量，m/s；ui為氣流在i方向的速度矢量，m/s；uj為氣流在j方向的速度矢量，m/s；ρ為氣流密度,kg/m3；μk為沿k方向的湍流黏性系數(shù)；P為壓強(qiáng),Pa；Re為雷諾數(shù)；τij為雷諾應(yīng)力，Pa；δij為Komecker delta函數(shù)。

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及Simple算法對(duì)流場(chǎng)求解[12-13]：

(4)

(5)

式中：ρ為氣體密度,kg/m3；k為湍流動(dòng)能，J；i、j分別為沿空間直角坐標(biāo)系x、y軸的方向；ui為氣流在i方向的速度矢量，m/s；μ為湍流黏性系數(shù)；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；YM為對(duì)總耗散率的影響因素；σk和σε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=1.42、C2ε=1.68、C3ε=0.09。

2.2 邊界條件

模型Ⅰ邊界條件：入口為速度進(jìn)口10 m/s，出口1為壓力出口，其壓強(qiáng)值為-2 000 Pa，出口2為壓力出口-4 000 Pa，分梳輥轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，固體壁面為無(wú)滑移邊界條件，運(yùn)動(dòng)類型為旋轉(zhuǎn)[14]。

模型Ⅱ邊界條件：入口1為速度進(jìn)口10 m/s，入口2為速度進(jìn)口15 m/s，入口3為速度進(jìn)口20 m/s，出口1為壓力出口-2 000 Pa，出口2為壓力出口-4 000 Pa，分梳輥轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，固體壁面為無(wú)滑移邊界條件，運(yùn)動(dòng)類型為旋轉(zhuǎn)。

2.3 紡紗實(shí)驗(yàn)

2.3.1 原料選擇

采用陜西中南越強(qiáng)紡織品有限公司生產(chǎn)的棉條，棉條定量為20 g/(5 m)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JN-1型轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)(江南大學(xué))分別有安裝模型Ⅰ 和模型Ⅱ的紡紗器，YG172A型紗線毛羽測(cè)試儀(陜西長(zhǎng)嶺紡織機(jī)電科技有限公司)，YG133B/PRO-H型條干均勻度測(cè)試儀(蘇州長(zhǎng)風(fēng)紡織機(jī)電科技有限公司)，XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀V3.0(上海新纖儀器有限公司)。

2.3.3 工藝參數(shù)

采用2種紡紗器分別在轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)上試紡36.4 tex、900捻/m的純棉紗線，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為 65 000 r/min，分梳輥轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

3 結(jié)果與分析

相較于三維模擬，二維模擬計(jì)算快、耗時(shí)少、較易研究，本文所研究的2類模型的氣流場(chǎng)沿Y軸均勻分布，滿足簡(jiǎn)化為二維模擬的要求，故本文采用二維模擬。在Fluent 19.0中模擬2種分梳排雜腔體中氣流場(chǎng)的壓強(qiáng)、速度和湍動(dòng)能分布。

3.1 模型Ⅰ氣流場(chǎng)分析

在模型Ⅰ的Y=16 mm處截得平行于XZ面的 1個(gè)平面，如圖3(a)所示。分析其面上的速度、壓強(qiáng)分布規(guī)律，將整個(gè)分梳腔體劃分為0°～360°區(qū)間，如圖3(b)所示。

圖3 模型Ⅰ截面(Y=16 mm)

圖4示出模型Ⅰ的Y=16 mm截面氣流壓強(qiáng)分布?？芍?，在分梳排雜腔體中氣流壓強(qiáng)分布較不均勻，排雜口的壓強(qiáng)分布在-2 256～-1 907 Pa，分梳腔體內(nèi)的壓強(qiáng)均處于負(fù)壓狀態(tài)，為-2 489～-2 024 Pa。入口處的壓強(qiáng)高于其附近分梳腔，根據(jù)擴(kuò)散原理，高壓區(qū)的氣流流向低壓區(qū)，使得低壓區(qū)壓強(qiáng)升高；輸纖通道中的低壓會(huì)使得其附近分梳腔中的高壓氣流流入，進(jìn)而使得附近分梳腔壓強(qiáng)減小，這也是導(dǎo)致分梳排雜腔中壓強(qiáng)分布不均的重要原因。排雜口處的負(fù)壓有利于在分梳過(guò)程中雜質(zhì)的順利排出，也可防止雜質(zhì)回流。輸纖通道內(nèi)氣流壓強(qiáng)呈現(xiàn)梯度狀態(tài)，輸纖通道中均處于負(fù)壓狀態(tài)，輸纖通道中壓強(qiáng)分布為-4 000～-2 256 Pa。輸纖通道內(nèi)的負(fù)壓可使分梳腔內(nèi)的纖維順利脫離分梳輥。

圖4 模型Ⅰ截面氣流壓強(qiáng)分布(Y=16 mm)

圖5示出Y=16 mm截面上的氣流速度分布圖。入口處氣流的速度較低(10 m/s)，氣流速度分布在 2.87～20 m/s 之間，這是由于氣流從入口處進(jìn)入分梳腔，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的分梳輥加速至20 m/s，氣流經(jīng)排雜區(qū)時(shí)，一部分氣流受到排雜出口負(fù)壓影響流向排雜區(qū)，通過(guò)排雜區(qū)的氣流速度降低至 2.87 m/s，分梳腔體內(nèi)的速度差使彎曲纖維在分梳過(guò)程中得到一定的伸展。氣流經(jīng)輸纖通道入口時(shí)，由于負(fù)壓的作用被吸入輸纖通道中。氣流經(jīng)排雜口時(shí)，速度分布在2.4～15.7 m/s之間，氣流流出分梳腔體后，速度逐漸降低至1.44 m/s。這是由于氣流脫離分梳腔進(jìn)入排雜區(qū)時(shí)，與排雜區(qū)的低速氣流發(fā)生摩擦碰撞，速度逐漸降低，直至流出排雜口。

圖5 模型Ⅰ截面氣流速度分布(Y=16 mm)

圖6示出模型Ⅰ的Y=16 mm截面湍動(dòng)能分布?？芍跉饬魅肟?、輸纖通道入口、排雜口處均出現(xiàn)了較為明顯的湍動(dòng)能變化，入口處附近的氣流與分梳腔中的氣流碰撞，使得分梳腔中的湍流強(qiáng)度發(fā)生變化。氣流經(jīng)過(guò)排雜區(qū)時(shí)，由于離心力的作用，一部分高速氣流進(jìn)入排雜區(qū)域，引起湍流強(qiáng)度明顯增加。湍動(dòng)能的出現(xiàn)，不利于纖維束在分梳腔內(nèi)的分梳及纖維向輸纖通道轉(zhuǎn)移，同時(shí)排雜口出的湍動(dòng)能也不利于雜質(zhì)的排出，進(jìn)而影響成紗質(zhì)量，部件設(shè)計(jì)中要減少分梳排雜通道內(nèi)湍動(dòng)能的產(chǎn)生，以期提高分梳排雜效率和成紗質(zhì)量。

圖6 模型Ⅰ截面湍動(dòng)能分布(Y=16 mm)

3.2 模型Ⅱ氣流場(chǎng)分析

在模型Ⅱ的Y=34 mm處截得平行于XZ面的1個(gè)平面，如圖7(a)所示。分析其面上的速度、壓強(qiáng)分布規(guī)律，把整個(gè)分梳腔體劃分為0°～360°區(qū)間，如圖7(b)所示。

圖7 模型Ⅱ截面(Y=34 mm)

圖8示出模型Ⅱ的Y=34 mm截面上的壓強(qiáng)的分布。分梳腔體內(nèi)大部分壓強(qiáng)分布在-4 743～-1 238 Pa，另一部分壓強(qiáng)分布在513～951 Pa，2個(gè)模型分梳腔內(nèi)氣流的壓強(qiáng)分布如圖9所示。分梳腔中的高壓區(qū)分布在入口1與排雜區(qū)附近，這是由于入口1處的高壓氣流進(jìn)入分梳腔中，同時(shí)入口2處的補(bǔ)氣口向分梳腔中輸送氣流使得壓強(qiáng)增加，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的分梳輥加速后形成壓強(qiáng)分布不均的區(qū)域。輸纖通道內(nèi)的壓強(qiáng)分布在-4 305～-2 553 Pa，輸纖通道內(nèi)的負(fù)壓區(qū)有利于分梳腔體內(nèi)氣流的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而促進(jìn)分梳輥上纖維的剝離。入口2、入口3處的壓強(qiáng)分布在951～1 389 Pa，雜質(zhì)出口1的壓強(qiáng)分布在-2 114～-362 Pa，補(bǔ)氣口處的壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于雜質(zhì)出口，這樣的壓強(qiáng)差有利于雜質(zhì)的排出，同時(shí)該正壓區(qū)的氣流還可向分梳腔內(nèi)的負(fù)壓區(qū)補(bǔ)氣，保證分梳排雜過(guò)程的順利進(jìn)行。

圖8 模型Ⅱ截面氣流壓強(qiáng)分布(Y = 34 mm)

圖9 分梳腔內(nèi)氣流的壓強(qiáng)分布

圖10示出模型Ⅱ的Y=34 mm截面氣流速度分布。由圖可知入口2、入口3處的通道中產(chǎn)生了速度梯度，由15、20 m/s加速到69 m/s，高速氣流的作用可防止雜質(zhì)回流。分梳輥與腔體之間的氣流速度分布不均勻，一部分氣流速度為45～50 m/s，一部分氣流速度為10～15 m/s，另一部分氣流速度為70～101 m/s，2種模型分梳腔中氣流的速度分布如圖11所示。根據(jù)伯努利原理，流速越大，壓強(qiáng)越小，這樣的速度分布與圖8中分梳腔體中壓強(qiáng)分布相對(duì)應(yīng)，即分梳腔中氣流的速度不勻是由壓強(qiáng)不勻引起的。輸纖通道入口處由2股氣流交匯在一起，隨后進(jìn)入輸纖通道中，在輸纖通道中貼近壁面的氣流速度較低為10 m/s，靠近輸纖通道軸線附近速度較高為50.6 m/s，產(chǎn)生速度差的原因?yàn)榭拷斃w通道近壁面的氣流受到摩擦阻力影響速度降低，而軸線附近的氣流幾乎不受輸纖通道壁面摩擦阻力的影響，故速度較高。

圖10 模型Ⅱ截面氣流速度分布(Y=34 mm)

圖11 分梳腔內(nèi)氣流的速度分布

圖12示出模型Ⅱ的Y=34 mm截面湍動(dòng)能分布。由圖可知，入口1與分梳腔體內(nèi)出現(xiàn)了小部分的湍動(dòng)能變化(見(jiàn)圓圈處)，輸纖通道中出現(xiàn)了較為明顯的湍動(dòng)能變化，湍動(dòng)能的不穩(wěn)定性影響纖維在輸纖通道中的運(yùn)輸和彎曲纖維的伸直[15]。輸纖通道中湍動(dòng)能的變化(見(jiàn)圖12中的方框處)與圖13輸纖通道中氣流旋渦的出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)，旋渦的產(chǎn)生是由于輸纖通道軸線附近的氣流速度高于近壁面氣流速度，方向、速度不同的氣流發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生旋渦。輸纖通道中的氣流旋渦不利于分梳腔中纖維的轉(zhuǎn)移，也不利于彎曲纖維的伸直，故在分梳排雜裝置設(shè)計(jì)中要避免輸纖通道中氣流旋渦的形成。

圖12 模型Ⅱ截面湍動(dòng)能分布(Y=34 mm)

圖13 模型Ⅱ(Y=34 mm)截面輸纖通道入口處氣流速度矢量分布

短纖須條的含雜率影響著成紗質(zhì)量，含雜率越高，成紗質(zhì)量就越低。為提高成紗質(zhì)量，需在紡紗前提高分梳排雜腔體的除雜效率。2個(gè)模型分梳腔中氣流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布如圖14所示。模型Ⅰ落雜區(qū)出現(xiàn)了明顯的湍動(dòng)能變化，不利于雜質(zhì)的排出，從而降低了除雜效率；模型Ⅱ的落雜區(qū)并未出現(xiàn)明顯的湍動(dòng)能變化，相較于模型Ⅰ，雜質(zhì)較易順利排出，有利于提高成紗質(zhì)量。

圖14 分梳腔內(nèi)氣流的湍動(dòng)能分布

3.3 紡紗驗(yàn)證

采用紡紗器為模型Ⅰ和模型Ⅱ所紡紗線的質(zhì)量與烏斯特50%標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值對(duì)比如表1所示。

由表1可知，2種轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)所紡紗線的質(zhì)量均滿足烏斯特50%指標(biāo)，模型Ⅰ所紡紗線1 mm和 2 mm 毛羽總和、3 mm及以上毛羽總和均將近是模 型Ⅱ 的2倍，模型Ⅰ紗線條干不勻CV值為13.54%，大于模型Ⅱ的12.81%，故模型Ⅱ所紡紗線的毛羽、條干均勻度均好于模型Ⅰ。模型Ⅰ所紡紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等指標(biāo)均小于模型Ⅱ，斷裂強(qiáng)度不勻率3.78%高于模型Ⅱ的2.91%。綜上所述，模型Ⅱ所紡紗線的各成紗指標(biāo)均好于模型Ⅰ。由模型Ⅰ和模型Ⅱ湍動(dòng)能的分布模擬結(jié)果可知，模型Ⅰ在排雜口處的湍動(dòng)能波動(dòng)較大，模型Ⅱ在排雜口處并未出現(xiàn)湍動(dòng)能波動(dòng)。湍動(dòng)能產(chǎn)生的本質(zhì)為氣流場(chǎng)中渦的運(yùn)動(dòng)，在排雜口處產(chǎn)生的渦不利于雜質(zhì)的排出，容易出現(xiàn)雜質(zhì)回流的現(xiàn)象，導(dǎo)致在成紗過(guò)程中紗線含雜率變高。含雜率是影響成紗強(qiáng)力不勻的主要因素，含雜率高，紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度降低，斷裂強(qiáng)度不勻率提高，進(jìn)而降低成紗品質(zhì)，通過(guò)對(duì)比2種模型在Fluent中湍動(dòng)能的模擬結(jié)果，紡紗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Fluent數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

表1 36.4 tex純棉紗線質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文對(duì)2種型號(hào)的分梳排雜裝置分別建模，并在Fluent 19.0中模擬計(jì)算，分析了2種分梳排雜裝置內(nèi)氣流的壓強(qiáng)、速度及湍動(dòng)能分布規(guī)律，同時(shí)通過(guò)紡紗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，得到了以下結(jié)論。

1)模型Ⅰ中分梳腔內(nèi)存在負(fù)壓區(qū)域，值為-2 489～-2 024 Pa；輸纖通道中出現(xiàn)了較為明顯的壓強(qiáng)梯度分布，且輸纖通道中均為負(fù)壓，其值分布在-4 000～-2 256 Pa；分梳腔體內(nèi)氣流的速度分布為2.87～20 m/s，排雜區(qū)氣流速度分布為2.4～15.7 m/s；排雜口處出現(xiàn)了較為明顯的湍動(dòng)能，湍動(dòng)能的產(chǎn)生不利于雜質(zhì)的排出，進(jìn)而降低成紗質(zhì)量。

2)模型Ⅱ分梳腔體內(nèi)壓強(qiáng)分布在-4 743～-1 238 Pa，輸纖通道內(nèi)的壓強(qiáng)分布在-4 305～-2 553 Pa，入口2、入口3處的壓強(qiáng)分布在高壓區(qū)951～1 389 Pa，雜質(zhì)出口1的壓強(qiáng)分布在低壓區(qū)-2 114～-362 Pa，有利于雜質(zhì)排出；分梳腔體中氣流的速度分布10～101 m/s，在輸纖通道中貼近壁面的氣流速度為10 m/s，靠近輸纖通道軸線附近速度為50.6 m/s；排雜口并未出現(xiàn)湍動(dòng)能，有利于雜質(zhì)的排出，提高成紗質(zhì)量。

3)與模型Ⅰ相比，模型Ⅱ氣流場(chǎng)更加穩(wěn)定，有利于排雜和成紗質(zhì)量的穩(wěn)定性。模型Ⅱ所紡紗線的毛羽個(gè)數(shù)、條干變異系數(shù)、斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度不勻率和斷裂伸長(zhǎng)率等成紗指標(biāo)均優(yōu)于模型Ⅰ，故采用吸雜分梳腔體(模型Ⅱ)的成紗質(zhì)量?jī)?yōu)于自由落雜雜分梳腔體(模型Ⅰ)，驗(yàn)證了Fluent模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。