基于Fluent 的三維和二維集聚紡流場模擬與分析

唐新軍 李 菁 曹吉強(qiáng)

（1.新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830023；2.新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊，830017）

集聚紡紗技術(shù)可紡制高品質(zhì)紗線，目前國際上主要有立達(dá)（Rieter）、緒森（Sussen）、豐田（Toyota）、青澤（Zinser）這4 種不同結(jié)構(gòu)的氣流式集聚紡紗系統(tǒng)[1］，其集聚原理基本相同，是將牽伸后的纖維須條吸附到集聚區(qū)表面，主要在二維（2D）平面上達(dá)到集聚效果。近幾年立達(dá)公司又推出了新一代三維（3D）集聚紡技術(shù)，是在空間多個方向上對纖維進(jìn)行集聚。新一代的網(wǎng)格圈式3D 集聚紡技術(shù)表現(xiàn)卓越，成紗強(qiáng)度提高0.5 cN/tex~1 cN/tex，常發(fā)性紗疵減少20%，節(jié)能達(dá)60%，運營成本節(jié)省達(dá)10%，該技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。目前對于2D 集聚紡技術(shù)的研究較多[2-6］，而對3D 集聚紡技術(shù)的研究較少，對其機(jī)理進(jìn)行研究具有重大意義。通過參考立達(dá)公司官方網(wǎng)站，收集最新產(chǎn)品資料，本研究通過對圖片進(jìn)行處理，進(jìn)一步反推設(shè)備集聚區(qū)的結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模對比，分析兩代集聚紡結(jié)構(gòu)上的差異。同時，通過Fluent 軟件對四羅拉集聚紡系統(tǒng)集聚區(qū)的氣流進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，得到2D 集聚紡和3D 集聚紡集聚區(qū)的氣流運動特性和規(guī)律，對關(guān)鍵特征面和特征線進(jìn)行分析，希望為設(shè)計更加高效的集聚紡系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 3D 集聚紡技術(shù)

近幾年立達(dá)公司推出的3 款集聚紡裝置拆卸簡便，可與環(huán)錠細(xì)紗機(jī)輕松配合使用，分別是提高強(qiáng)力的COMPACTapron、減少毛羽的COMPACTdrum、可橫動的機(jī)械式集聚紡COMPACTeasy[7］。COMPACTapron 是 在2019 年 歐 洲 國際紡織機(jī)械展覽會（ITMA2019）上作為未來網(wǎng)格圈集聚概念展出，它是立達(dá)子公司緒森推出的第二代網(wǎng)格圈集聚解決方案，其采用全新3D 集聚紡技術(shù)，巧妙地引導(dǎo)纖維通過集聚區(qū)并達(dá)到更好的集聚效果[8］。3D 集聚紡紗技術(shù)不僅有效提高了紗線強(qiáng)力，而且具有高度的靈活性，能適用于多種機(jī)器、不同原料的紡紗，安裝和拆卸過程快速便捷；耗能低、使用備件減少、維護(hù)成本降低，從而降低運營成本；提升了原料制成率，例如通過降低捻度提升產(chǎn)量、調(diào)整混紡比、簡化后道工序等方法，提高企業(yè)利潤。

研發(fā)COMPACTapron 的最初目的是改善負(fù)壓式集聚紡的集聚原理，從而降低能耗。主流的負(fù)壓式集聚紡技術(shù)基本都是2D 集聚方式，即在網(wǎng)格圈、多孔膠圈或多孔吸風(fēng)鼓等集聚元件表面上實現(xiàn)纖維的集聚。但由于纖維被吸附在集聚元件的表面，纖維實際接觸的氣流較少，吸附氣流無法得到有效利用。COMPACTapron 改變了傳統(tǒng)的吸附集聚方式，集聚區(qū)兩鉗口之間的距離極大地減小，當(dāng)纖維進(jìn)入集聚區(qū)時，纖維始終與網(wǎng)格圈保持一定距離，使纖維最大化暴露在氣流中，確保所有纖維都能得到有效集聚，以起到3D 集聚效果，有效提高成紗強(qiáng)力。

根據(jù)COMPACTapron 的特點，立達(dá)公司進(jìn)行了系統(tǒng)的專利布局，在紡紗機(jī)結(jié)構(gòu)、吸風(fēng)槽尺寸、連接件的設(shè)定等方面做了一系列設(shè)計方案，主要特點為：優(yōu)化的纖維運動軌跡，在膠輥下方距離網(wǎng)格圈一定距離的位置進(jìn)行集聚；小鉗口間距，為12 mm~20 mm[9］；小集聚空間，是由異形吸風(fēng)管、輸出膠輥及羅拉組成的簡易空間；短吸風(fēng)槽長度，槽寬0.3 mm~3.0 mm，槽長小于10 mm，也有資料 顯 示 在2.0 mm~5.0 mm[10-11］；優(yōu) 化 的 連 接 方式，方便異形吸風(fēng)管的調(diào)節(jié)安裝，以同時保證氣流的流暢[12-13］。

2 集聚區(qū)結(jié)構(gòu)模擬分析

由于3D 集聚紡技術(shù)未廣泛應(yīng)用，無法根據(jù)實物建模，故采用圖片反推模型的方法，用Solid-Works 軟件繪制出集聚區(qū)三維模型，并對模型進(jìn)行部分簡化。2D 集聚區(qū)的建模參考緒森傳統(tǒng)四羅拉網(wǎng)格圈式集聚紡裝置，3D 集聚區(qū)的建模參考COMPACTapron 集聚紡裝置。

2.1 傳統(tǒng)2D 集聚區(qū)

傳統(tǒng)2D 集聚區(qū)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，主要由前膠輥、前羅拉、輸出膠輥、異形吸風(fēng)管以及網(wǎng)格圈等組成，異形吸風(fēng)管上開有一定傾斜角度的吸風(fēng)槽，網(wǎng)格圈套在異形吸風(fēng)管上。傳動方式是利用前羅拉摩擦帶動前膠輥，前膠輥和輸出膠輥通過齒輪機(jī)構(gòu)傳動，輸出膠輥摩擦帶動網(wǎng)格圈運動。工作時異形吸風(fēng)管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，通過吸風(fēng)槽、網(wǎng)格圈作用在纖維上，達(dá)到集聚纖維的目的；纖維通過前羅拉和前膠輥后進(jìn)入集聚區(qū)，在氣流作用下吸附在網(wǎng)格圈上并產(chǎn)生一定的集聚，隨著網(wǎng)格圈向輸出鉗口運動。

圖1 2D 集聚區(qū)示意圖

羅拉直徑為27 mm，其他基本結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)參考宣傳圖片反向推導(dǎo)，完成模型的建立。推測影響集聚作用的關(guān)鍵指標(biāo)，2D 集聚區(qū)吸風(fēng)槽的長度約為20 mm，前膠輥到輸出膠輥的鉗口間距約為32 mm。為方便后續(xù)模型的流程分析，吸風(fēng)槽設(shè)置為22 mm×1.2 mm 的直槽。

2.2 新型3D 集聚區(qū)結(jié)構(gòu)

新型3D 集聚區(qū)結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，主要包含輸出膠輥、輸出羅拉、異形吸風(fēng)管以及網(wǎng)格圈等，異形吸風(fēng)管上開有吸風(fēng)槽，網(wǎng)格圈套在異形吸風(fēng)管上。3D 集聚區(qū)比2D 集聚區(qū)少1 個膠輥，輸出膠輥的尺寸增大。傳動方式是利用輸出羅拉摩擦帶動輸出膠輥，輸出膠輥通過摩擦力帶動網(wǎng)格圈運動。3D 和2D 集聚區(qū)都是通過氣流集聚，但由于3D 集聚區(qū)的間距較小，纖維處于一定張力作用下，未被吸附在網(wǎng)格圈上，是在網(wǎng)格圈上方一定距離完成集聚，最后通過輸出膠輥和網(wǎng)格圈形成的鉗口輸出。

圖2 3D 集聚區(qū)示意圖

參考COMPACTapron 集聚紡資料及相關(guān)專利，進(jìn)行圖片反向推導(dǎo)，建立3D 集聚區(qū)流場模型。推測影響集聚作用的幾個關(guān)鍵指標(biāo)，3D 集聚區(qū)吸風(fēng)槽的長度約為5.5 mm，集聚區(qū)鉗口間距約為13 mm，約為2D 集聚區(qū)的2/5。為方便后續(xù)模型的流場對比分析，將吸風(fēng)槽設(shè)置為5.5 mm×1.2 mm的直槽。比傳統(tǒng)的2D 集聚區(qū)集聚槽長度縮短3/4，集聚區(qū)的氣流作用空間明顯減小。

3 流場模擬分析

3.1 集聚區(qū)流場模型的建立及參數(shù)設(shè)定

3.1.1 集聚區(qū)流場模型的建立

基于圖片模擬出的2D 集聚區(qū)和3D 集聚區(qū)模型，進(jìn)行抽取得到2D 和3D 集聚區(qū)流場模型，如圖3 所示。選取吸風(fēng)槽前端頂點作為原點，其中X軸與前羅拉軸線重合，右側(cè)為正方向；Y軸與槽口方向重合，槽前向槽后為正方向；Z軸與槽口面垂直，Z軸向上為正方向。

圖3 集聚區(qū)流場模型示意圖

3.1.2 特征線、特征面的建立

為更好地分析對比2D 集聚區(qū)和3D 集聚區(qū)流場的變化，在兩個集聚區(qū)的流場模型中分別建立4 個特征面，如圖4 所示。特征面1 在槽口的豎直方向的中間位置，正好是YZ平面，簡寫成z；特征面2、3、4 是垂直于槽口的面，分別對應(yīng)槽口的前端（集聚快結(jié)束）、中間、后端（集聚剛開始），簡寫為cq、cz、ch。

圖4 特征面示意圖

為更清晰地觀察纖維在集聚時受氣流作用的情況，在cq、cz、ch特征面中分別建立如圖5 所示的3 條基準(zhǔn)線，分別命名為槽前線、槽中線、槽后線，記為cqx、czx、chx，這3 條特征線和X軸平行，高度設(shè)定在纖維可能的運動位置點。2D 集聚區(qū)的纖維吸附在網(wǎng)格圈上，所以特征線選取在吸風(fēng)槽略微偏上的位置。3D 集聚區(qū)的纖維未吸附到網(wǎng)格圈上，而是貼近輸出膠輥，所以特征線選取在距輸出膠輥下方一定距離的位置。

圖5 特征線示意圖

3.1.3 參數(shù)的設(shè)定

將繪制好的集聚區(qū)模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行仿真模擬，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，對流場面進(jìn)行定義，如圖6 所示，紅色面是氣流入口，藍(lán)色面設(shè)置為墻體，異形吸風(fēng)管未顯示一端設(shè)置為氣流出口。設(shè)定邊界條件，氣流入口為負(fù)壓入口，相對壓強(qiáng)統(tǒng)一設(shè)定成0 kPa；氣流出口為負(fù)壓出口，2D 集聚紡為-2.2 kPa，3D 集聚紡為-1.1 kPa（參考官方資料的能耗設(shè)定）。求解模型選擇k-epsilon模型，其他參數(shù)保持默認(rèn)，進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

圖6 面參數(shù)設(shè)定示意圖

3.2 模擬結(jié)果分析

2D 集聚區(qū)和3D 集聚區(qū)都為負(fù)壓氣流作用在纖維上，進(jìn)而達(dá)到纖維集聚的目的。這里主要針對幾個特征面和特征線的氣流速度以及X、Y、Z軸方向氣流速度分量進(jìn)行模擬并對比分析。模型設(shè)計時，考慮消除網(wǎng)格圈和吸風(fēng)槽的影響進(jìn)行模型簡化，即網(wǎng)格圈未涉及，吸風(fēng)槽設(shè)置成直槽。X軸方向氣流分量和羅拉軸線方向相同，主要對纖維產(chǎn)生橫向集聚的作用力；Y軸方向氣流分量沿著纖維輸送方向，對纖維有一定理順的作用；Z軸方向氣流分量同集聚面垂直的方向，對纖維產(chǎn)生向下集聚的力。

3.2.1 集聚區(qū)特征面氣流計算結(jié)果分析

建立4 個特征面的速度云圖，為方便對比2D和3D 集聚區(qū)的速度差異，單位均設(shè)定為m/s；云圖氣流速度梯度設(shè)置保持一致，均設(shè)置為5 m/s；云圖中由冷色調(diào)藍(lán)色到暖色調(diào)紅色的過程為速度逐漸增大。2D 和3D 集聚區(qū)特征面2、特征面3、特征面4 的寬度均為20 mm，基本按槽口對稱分布。

特征面1 的速度云圖如圖7 所示。速度云圖中2D 集聚區(qū)的最大速度在60 m/s~65 m/s，3D集聚區(qū)的最大速度在45 m/s~50 m/s，最大速度均集中在吸風(fēng)槽的前后兩端。吸風(fēng)槽上方的表面速度云圖顏色接近，2D 速度更高。可以看出，2D集聚區(qū)的氣流速度明顯比3D 集聚區(qū)大，推測主要原因之一是3D 集聚區(qū)的負(fù)壓減小了一半。但在集聚區(qū)中的流速接近，推測主要原因是3D 集聚區(qū)整體面積比2D 集聚區(qū)減小，而且入口變小。

圖7 特征面1 速度云圖

特征面2 的速度云圖如圖8 所示，其為吸風(fēng)槽前端的斷面速度云圖。2D 和3D 集聚區(qū)最大速度約45 m/s~50 m/s，在吸風(fēng)槽位置，2D 集聚區(qū)的較大氣流更加集中，3D 的吸風(fēng)槽長度較短，選取的前端位置更靠近鉗口，而鉗口會對氣流產(chǎn)生一定干擾。在吸風(fēng)槽上方的速度云圖顯示，2D 集聚區(qū)相比3D 集聚區(qū)的氣流具有更寬的作用區(qū)域。在異形吸風(fēng)管內(nèi)2D 集聚區(qū)相比3D 集聚區(qū)氣流作用區(qū)域更大，對氣流的利用率更低。

圖8 特征面2 速度云圖

特征面3 的速度云圖如圖9 所示，其為吸風(fēng)槽中間的斷面速度云圖。2D 和3D 集聚區(qū)吸風(fēng)槽中間的速度云圖和吸風(fēng)槽前端相似。吸風(fēng)槽上方的氣流云圖發(fā)生了較大變化，由于2D 集聚區(qū)上方還有一個氣流入口，導(dǎo)致高速區(qū)域集中到槽口位置，遠(yuǎn)離槽口位置速度降低明顯。3D 集聚區(qū)吸風(fēng)槽中間斷面位置距離鉗口一定距離，減少了鉗口區(qū)域的干擾，上方集聚空間依然很小，此時的氣流作用區(qū)域明顯增大，吸風(fēng)槽兩側(cè)空間氣流速度降低較小，保證了較大的氣流作用范圍。

圖9 特征面3 速度云圖

特征面4 處的速度云圖如圖10 所示，其為吸風(fēng)槽后端的斷面速度云圖。2D 集聚區(qū)在吸風(fēng)槽口區(qū)域的氣流明顯增大，但是集聚槽上方的氣流速度只是集中在集聚槽中間位置，集聚槽中間斷面的氣流特點相似。3D 集聚區(qū)吸風(fēng)槽口處的氣流和集聚槽中間斷面處相似，上方的集聚空間雖然有所增加，但是整個上方空間的氣流作用依然平穩(wěn)，吸風(fēng)槽兩側(cè)空間氣流速度降低較小。

通過幾個特征面氣流的對比，由于3D 集聚區(qū)出口的負(fù)壓氣流設(shè)定較低，2D 集聚區(qū)的整體氣流速度要大于3D 集聚區(qū)，在吸風(fēng)槽中的流速較大，但是在吸風(fēng)槽上方兩側(cè)的氣流速度降低較為明顯，無法有效利用集聚區(qū)兩側(cè)入口氣流。3D 集聚區(qū)由于集聚空間上方?jīng)]有氣流入口，并且空間較小，吸風(fēng)槽兩端的氣流速度降低不明顯。

3.2.2 集聚區(qū)特征線氣流計算結(jié)果分析

建立3 個特征線上的X、Y、Z軸方向速度分量對比圖，cqx、czx、chx位置設(shè)定時考慮在纖維可能運動的軌跡點，以便分析不同方向氣流可能產(chǎn)生的作用效果。2D 集聚區(qū)的纖維由于吸附在網(wǎng)格圈上，這時Z軸方向作用力有助于纖維豎直方向的運動，但是不利于橫向運動；3D 集聚區(qū)的纖維由于處于鉗口之間，集聚空間比較小，纖維基本成張緊狀態(tài)，不與網(wǎng)格圈接觸，不會受到網(wǎng)格圈摩擦力的影響，氣流的直接作用效果更強(qiáng)。

集聚區(qū)X軸方向速度分量對比如圖11 所示，該速度分量主要起到纖維橫向集聚的作用。2D集聚區(qū)的cqx、czx、chx位置的X軸方向速度分量曲線相似，都是在吸風(fēng)槽附近時速度達(dá)到最大值，遠(yuǎn)離吸風(fēng)槽速度逐漸降低，在吸風(fēng)槽中間位置速度為0 m/s；其中槽前位置的速度整體高于槽中和槽后位置，由于槽前區(qū)域的吸風(fēng)槽上方集聚空間較為狹窄，可以產(chǎn)生更大的X軸速度分量。3D集聚區(qū)的cqx、czx、chx位置的X軸速度分量曲線差異較大，cqx距離鉗口位置接近，基本貼附在網(wǎng)格圈上，所以與2D 集聚區(qū)的速度曲線基本相似。但遠(yuǎn)離槽口位置的流速降低較快，czx和chx的曲線更加平緩，這兩條線的位置距離吸風(fēng)槽口一定距離，貼近輸出膠輥，速度約為5 m/s，吸風(fēng)槽口附近的氣流速度低于2D 集聚區(qū)，推測主要原因是纖維距離吸風(fēng)槽口距離增加造成。

集聚區(qū)Y軸方向速度分量對比如圖12 所示，Y軸方向的速度分量是沿著纖維運動方向，在一定程度上可以達(dá)到一定的梳理順直的效果，利于纖維輸送。2D 集聚區(qū)的cqx、chx的Y軸方向速度分量曲線相似，槽口附近速度快，槽口遠(yuǎn)端速度慢；czx由于其上方對應(yīng)有另外一個氣流入口，此時該速度槽口附近的速度明顯降低，速度曲線槽口附近和遠(yuǎn)端Y軸速度分量接近。3D 集聚區(qū)cqx、czx、chx的Y軸速度分量曲線相似，槽口附近速度大，遠(yuǎn)端逐漸減小，受到集聚空間的影響，速度由大到小為吸風(fēng)槽前端、中間、后端，在槽口附近有較為平穩(wěn)的Y軸速度分量的氣流作用。

圖12 Y 軸速度分量對比

集聚區(qū)Z軸方向速度分量對比如圖13 所示，Z軸方向的速度分量是沿著纖維厚度方向，在2D集聚紡中的作用更加偏向于纖維的吸附，阻止纖維四散，增強(qiáng)聚集效果。在3D 集聚紡中的作用更加偏向形成一定的張力集聚作用。2D 集聚區(qū)的cqx、czx、chx的Z軸速度分量曲線規(guī)律基本一致，吸風(fēng)槽中間位置速度最大，吸風(fēng)槽附近有較大的速度，遠(yuǎn)離吸風(fēng)槽范圍速度明顯降低。其中czx上方有氣流入口，更加有利于Z軸速度分量的提高，其槽中心的速度比cqx和chx槽中心速度大，接近大1/3。3D 集聚區(qū)由于cqx、czx、chx的位置相對更加靠近輸出膠輥，Z軸速度分量整體明顯要比2D 集聚區(qū)的速度要小，特別是czx和chx在槽口位置的速度差異較大，槽口附近的速度降低明顯，不到cqx位置的1/3。

圖13 Z 軸速度分量對比

通過幾個特征線上不同方向速度分量的對比，從整體流速上看，2D 集聚區(qū)的X軸、Z軸速度分量在吸風(fēng)槽周邊的速度明顯要高于3D 集聚區(qū)，3D 聚集區(qū)的X軸速度分量在czx、chx位置速度較為平穩(wěn)，沒有較大變化。2D 集聚區(qū)的Y軸速度分量受到集聚區(qū)入口的影響，在槽前和槽中位置不如3D 集聚區(qū)的速度，特別是在槽中時，Y軸速度分量接近0 m/s。通過流場分析，3D 集聚區(qū)的速度分量并不高，不過氣流速度相對平穩(wěn)，其中Y軸的氣流速度分量相比2D 集聚的速度分量更加統(tǒng)一，推測這是導(dǎo)致3D 集聚紡強(qiáng)力高的原因之一。

4 結(jié)論

結(jié)合官方介紹資料，基于計算機(jī)仿真模擬技術(shù)，對2D 集聚裝置和3D 集聚裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對比主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)差異，通過流場模擬分析集聚區(qū)內(nèi)部流場的速度分布，得出以下結(jié)論。

（1）3D 集聚裝置與2D 集聚裝置相比結(jié)構(gòu)明顯簡化，其將2D 集聚裝置的前膠輥和輸出膠輥組合簡化成一個超大的輸出膠輥，可降低損耗、減少維護(hù)保養(yǎng)成本。

（2）3D 集聚區(qū)鉗口間距較短，吸風(fēng)槽產(chǎn)生的集聚力不能將纖維吸附到網(wǎng)格圈表面，而是形成張緊狀態(tài)，這改變了傳統(tǒng)2D 集聚區(qū)集聚纖維的運輸方式。

（3）3D 集聚區(qū)集聚空間明顯縮小，鉗口間距約為2D 集聚區(qū)的2/5，上方不再有氣流入口，集聚槽的長度明顯縮小，約為2D 集聚區(qū)吸風(fēng)槽的1/4，極大地減少了氣流的作用空間。

（4）流場模擬結(jié)果中，3D 集聚區(qū)在負(fù)壓降低50%的條件下，整體流速相比2D 集聚區(qū)有所降低，但氣流速度更加一致。在纖維的可能集聚位置，X軸速度分量降低，但較為平穩(wěn)，Y軸速度分量相對一致并保持穩(wěn)定，Z軸速度分量降低明顯。

（5）3D 集聚裝置可以實現(xiàn)低能耗、高強(qiáng)力，推測主要是因為須條在一定張力條件下為三維集聚，并采用優(yōu)化的集聚空間，使氣流利用率有效提高。3D 集聚裝置的設(shè)計思路為集聚紡系統(tǒng)提供了新的可能，有待進(jìn)一步探索。由于模型繪制采用圖片反向推導(dǎo)的方式，部分?jǐn)?shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，后續(xù)可配合實物進(jìn)行細(xì)化試驗。