摘要:針對抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)部復(fù)雜氣流變化,文章以RNGk-ε湍流物理模型為支撐,構(gòu)建基于ICEMCFD和FLUENT的非結(jié)構(gòu)性單相穩(wěn)態(tài)流體計算域。采用SIMPLE算法對紡紗通道內(nèi)流場進行壓力-速度耦合求解,計算得到進出口質(zhì)量流量差Δm=0.0014g/s,數(shù)值模擬滿足殘差收斂性條件。結(jié)果顯示:轉(zhuǎn)杯內(nèi)腔壓力場梯度明顯,靜、動壓從杯體中心逐漸向凝聚槽邊緣增大;輸纖管道出口處存在湍流速度,滑移面和凝聚槽流域氣流速度(342~428.68m/s)相對較大;紡紗通道內(nèi)部兩路氣流流線軌跡層界清晰、流向規(guī)律,流線特征符合壓力場和速度場分析預(yù)期,為高速轉(zhuǎn)杯流場特性及其紡紗機理研究提供了有力依據(jù)。
關(guān)鍵詞:紡紗;轉(zhuǎn)杯;湍流;殘差;凝聚槽;輸纖管道;FLUENT
中圖分類號:TS104.2;TH113
文獻標(biāo)志碼:A
文章編號:10017003(2021)04003607
Abstract:Inviewofthecomplexairflowvariationinspinningchannelonair-extractionrotor,anunstructuredfluidcalculationdomainwithsinglephaseandsteadystatewasbuiltbyICEMCFDandFLUENTsoftware,basedonRNGk-εturbulencephysicalmodel.Thepressure-velocitycouplingoftheinternalflowfieldinthespinningchannelwassolvedthroughSIMPLEalgorithm,andthemassflowdifferencebetweeninletandoutletΔm=0.0014g/swasobtainedthroughcalculation.Thenumericalsimulationsatisfiedtheconvergenceconditionofresidual.Theresultsshowedthattherewasanobviouspressuregradientintherotor,andthestaticanddynamicpressuregraduallyincreasedfromcentralareaoftherotortotheedgeofcondensinggroove.Besides,therewasturbulencevelocityattheoutletoffiberpipeline,andtheairvelocity(342~428.68m/s)ontheslipsurfaceandflowareainthecondensinggroovewasrelativelyhigh.Thetrajectoryandboundaryoftwoairflowlinesinthespinningchannelwasclearandtheflowdirectionwasregular,thelinecharacteristicsconformedtotheanalysisexpectationofthepressurefieldandvelocityfield.Ourworkstronglysupportsresearchontheflowfieldcharacteristicsandspinningmechanismofhigh-speedrotor.
Keywords:spinning;rotor;turbulence;residual;condensinggroove;fiberpipeline;FLUENT
作者簡介:邱海飛(1983),男,副教授,主要從事機械系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計、機電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與研發(fā)。
轉(zhuǎn)杯紡是通過氣流高速回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)纖維束加捻成紗的一種新型紡紗技術(shù)。與傳統(tǒng)紡紗工藝(如環(huán)錠紡、非自由端紡紗等)不同,轉(zhuǎn)杯紡采用自由端加捻方式,其工作轉(zhuǎn)速已由最初的30000r/min提高至現(xiàn)階段的100000~200000r/min,纖維成紗速度一般在150~200m/min[1],具有流程短、卷裝大、適應(yīng)性廣及自動化程度高等特點,目前已被廣泛應(yīng)用于棉、麻、毛、絲及化學(xué)纖維等領(lǐng)域。
在轉(zhuǎn)杯紡紗過程中,紡紗通道內(nèi)部氣流壓力、速度及出入方式等會對成紗質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。由于轉(zhuǎn)杯長時間處于高速回轉(zhuǎn)狀態(tài),而且輸纖管道和杯體內(nèi)部的氣流復(fù)雜多變,所以實際工況下很難準(zhǔn)確計算和測試紡紗通道氣流場特性[2]。近年來,隨著計算流體動力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)的快速發(fā)展,基于CFD的先進數(shù)值模擬方法已被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)和工程領(lǐng)域[3]。借助CFX、FLUENT、STAR-CD、COMSOL等主流仿真工具,不僅能夠準(zhǔn)確計算和分析復(fù)雜流場的物理特性,而且可在很大程度上降低流體問題的研究難度和試驗成本。本文將現(xiàn)代CFD技術(shù)應(yīng)用于某型抽氣式轉(zhuǎn)杯,在FLUENT環(huán)境下實現(xiàn)了紡紗通道內(nèi)部氣流場的構(gòu)建和數(shù)值模擬,以期為高速自由端紡紗工藝研究提供有效手段和技術(shù)參考。
1 纖維成紗機理
轉(zhuǎn)杯紡將棉條纖維輸送至紡紗器后直接紡成筒子紗,省去了粗紗、絡(luò)筒兩道工序,簡化了紡紗工藝流程[4]。轉(zhuǎn)杯是氣流紡紗器的核心部件,按照杯內(nèi)負壓產(chǎn)生方式可將其分為自排風(fēng)式和抽氣式兩種。從結(jié)構(gòu)性能方面來看,抽氣式轉(zhuǎn)杯具有直徑小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速高等特點,相對于自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯具有更強的先進性和適應(yīng)性。
抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)杯、轉(zhuǎn)杯蓋、假捻盤、輸纖管道等構(gòu)成,氣流輸送系統(tǒng)共包括兩個入口和一個出口,紡紗器工作時需要配備一臺抽風(fēng)機為氣流場提供負壓[5],如圖1所示。其紡紗工藝原理為:首先利用高速回轉(zhuǎn)的分梳輥將喂入的棉條開松為纖維流,然后經(jīng)氣流導(dǎo)引使單纖維從輸纖管道送入轉(zhuǎn)杯內(nèi)部,并在杯體離心力和負壓作用下將纖維流在凝聚槽內(nèi)凝聚成須條,同時通過轉(zhuǎn)杯高速回轉(zhuǎn)使須條導(dǎo)入假捻盤加捻成紗,最后由引紗羅拉將紗線從引紗管牽引而出形成筒子紗。
2 流體計算域模型
2.1 紡紗通道流域離散
以紡織行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)FZ/T93053—2010《轉(zhuǎn)杯紡紗機轉(zhuǎn)杯》為依據(jù),在某型抽氣式轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)之上,利用三維CAD軟件設(shè)計建立紡紗通道內(nèi)流域幾何模型,并通過數(shù)據(jù)接口程序?qū)⑵鋵?dǎo)入ICEMCFD構(gòu)建流體計算域網(wǎng)格模型,如圖2所示。計算域系統(tǒng)坐標(biāo)原點位于轉(zhuǎn)杯底面中心,轉(zhuǎn)杯直徑為36mm、高度為16mm、滑移面角度為22°、輸纖管道傾角為35°,凝聚槽類型為V型。
由于紡紗通道內(nèi)流域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,故采用幾何適應(yīng)性更好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行流域離散。相對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格沒有固定的拓撲規(guī)則,具有更強的適應(yīng)性和靈活性[6]。利用ICEMCFD四面體網(wǎng)格分別對轉(zhuǎn)杯、輸纖管道、假捻盤及轉(zhuǎn)杯蓋等進行結(jié)構(gòu)離散,并在氣流出入口、凝聚槽及輸纖管道出口等區(qū)域進行局部網(wǎng)格細化處理,共計算生成四面體網(wǎng)格數(shù)量約186萬個。
2.2 邊界條件定義
抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)部負壓由風(fēng)機抽吸形成,為保證棉條纖維的順利輸送,要求輸纖管道中的氣流速度必須大于分梳輥產(chǎn)生的氣流速度[7]。在FLUENT環(huán)境下定義流場邊界條件:設(shè)置輸纖管道氣流入口為質(zhì)量流量進口;引紗管氣流入口與大氣相通,設(shè)置為壓力進口,相對壓力為0Pa;設(shè)置活絡(luò)通道(氣流出口)為壓力出口,定義出口靜壓為-8500Pa。設(shè)置外部操作環(huán)境為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325Pa),重力加速度(-9.8m/s2)沿Y軸負方向。
輸纖管道入口流量質(zhì)量計算方法如下式所示:
代入相關(guān)參數(shù)值計算,得出單位時間進入輸纖管道內(nèi)的氣流質(zhì)量m≈0.00178kg/s。根據(jù)抽氣式轉(zhuǎn)杯實際運轉(zhuǎn)工況,將紡紗通道流域外壁與轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁接觸區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)運動壁面,并定義相對轉(zhuǎn)速為115000r/min,旋轉(zhuǎn)方向沿Y軸軸向;設(shè)置紡紗通道流域內(nèi)壁與輸纖管道、假捻盤及活絡(luò)通道接觸區(qū)域為無滑移靜止壁面[8]。在紡紗通道內(nèi)流域與輸纖管道、假捻盤出口交界處設(shè)置過渡面,通過交界面處理將紡紗通道內(nèi)流域分為三部分,即輸纖管道流域、轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流域和假捻盤中心孔流域。
3 數(shù)值模擬計算
3.1 RNGk-ε湍流方程
由于高速轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流處于可壓縮湍流狀態(tài),故采用RNGk-ε湍流模型對紡紗通道氣流場進行模擬計算。湍動能k方程和耗散率ε方程如下式所示:
3.2 殘差計算
選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),構(gòu)建基于RNGk-ε湍流方程的紡紗通道單相穩(wěn)態(tài)流場物理模型。在壓力-速度耦合求解模式基礎(chǔ)上,利用SIMPLE算法、二階迎風(fēng)格式對紡紗通道內(nèi)流場進行模擬計算。通過Hybrid方法對紡紗通道流場計算域及其邊界進行初始化處理,將迭代計算收斂殘差設(shè)置為0.001[10],并在氣流進出口區(qū)域監(jiān)測紡紗通道質(zhì)量流量。
迭代求解完成后,獲得紡紗通道進出口質(zhì)量流量差變化曲線,如圖3所示。分析可知,F(xiàn)LUENT經(jīng)過380次迭代計算后,質(zhì)量流量差曲線變化趨于穩(wěn)定,說明進出口氣流滿足連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)和動量守恒方程。
根據(jù)質(zhì)量殘差收斂準(zhǔn)則可知,當(dāng)Δm<0.5%時,迭代計算過程收斂[11]。同時,流場速度、湍動能、耗散率等殘差項也都達到收斂要求,即殘差計算值<0.001。因此,紡紗通道內(nèi)部流場數(shù)值模擬結(jié)果具有良好收斂性。
4 模擬結(jié)果分析
4.1 紡紗通道壓力場
紡紗通道氣流壓力的大小及分布直接影響著轉(zhuǎn)杯紡的成紗質(zhì)量[12]。分析圖4可知,在輸纖管道垂直截面上,轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流場靜壓為負值,說明紡紗通道內(nèi)負壓低于大氣壓,有利于外部氣流順利進入轉(zhuǎn)杯;靜壓從輸纖管道入口至出口不斷增大,并在氣流出口上方區(qū)域呈現(xiàn)旋渦狀高壓區(qū),最大壓力約-10923Pa;相比之下,動壓分布較為均勻,但在靠近滑移面和凝聚槽區(qū)域存在明顯壓力梯度,動壓大小約在7000~24700Pa。
此外,其他流場區(qū)域的動壓相對較?。?3500Pa),且除輸纖管道出口區(qū)段外無明顯高壓區(qū),可見轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場動壓壓力差分布合理,有助于氣流流動和纖維輸送。
轉(zhuǎn)杯內(nèi)流場另一特殊區(qū)域的壓力狀態(tài)如圖5所示。比較分析可知,轉(zhuǎn)杯軸心垂直截面和輸纖管道垂直截面上的壓力分布相似,尤其是在滑移面和凝聚槽流域,動壓和靜壓的梯度分布基本一致,但由于此截面區(qū)域氣流主要來自引紗管氣流入口,所以來流處的高壓區(qū)和壓力差稍有不同。
凝聚槽水平截面上的壓力分布狀態(tài)如圖6所示。比較分析可知,靜壓和動壓云圖均呈環(huán)形層狀分布,且各層氣流壓力平穩(wěn)、邊界清晰,但是在正對輸纖管道出口處存在一定壓力波動。由于氣流黏性和高速轉(zhuǎn)杯離心力影響,使得靜壓和動壓從轉(zhuǎn)杯中心向凝聚槽邊緣逐漸增大[13],即越靠近轉(zhuǎn)杯中心區(qū)域壓力越小,越靠近凝聚槽區(qū)域壓力越大,符合抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗工藝對于纖維凝聚氣流的分布要求。
4.2 紡紗通道速度場
通過速度矢量能夠準(zhǔn)確表征紡紗通道內(nèi)部氣流的大小及流向,如圖7所示。由圖7可清晰看到,轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流速度整體流向呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過比較分析可知,流場外壁(即與滑移面和凝聚槽接觸區(qū)域)氣流速度明顯大于其他流域,氣流速度在342~428.68m/s。外部氣流從輸纖管道和假捻盤中心孔進入轉(zhuǎn)杯以后,氣流在發(fā)生旋轉(zhuǎn)流動的同時不斷向上方杯口區(qū)域流動,最后通過活絡(luò)通道出口流出轉(zhuǎn)杯。
利用CFD-POST后處理模塊對關(guān)心的局部流場速度進行矢量分析,分別為輸纖管道垂直截面、凝聚槽水平截面、轉(zhuǎn)杯軸心垂直截面,以及旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面上的氣流速度矢量,如圖8所示。通過分析比較這些局部流場速度矢量圖,可更為深入地理解抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)流場速度特性。例如,轉(zhuǎn)杯在高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)下,纖維將按圖8(a)所示氣流方向從輸纖管道進入轉(zhuǎn)杯內(nèi)部,然后在如圖8(b)(d)所示氣流帶動下從旋轉(zhuǎn)壁面滑移進入凝聚槽。與此同時,在杯內(nèi)負壓作用下,外部氣流按圖8(c)所示速度方向進入轉(zhuǎn)杯補充杯內(nèi)氣流。此外,在輸纖管道出口處存在明顯的湍流速度,如圖8(e)所示在靜止壁面來流交匯處流場氣流較為紊亂。
在凝聚槽水平截面上作截線A-A′,并提取A-A′路徑上的氣流速度變化曲線,如圖9、圖10所示。比較分析可知,氣流切向速度大于軸向速度,說明在凝聚槽水平截面上氣流以切向運動為主,而對于纖維的軸向牽移能力較弱,因此纖維束不會從凝聚槽滑落至轉(zhuǎn)杯底部[14]。氣流切向速度由內(nèi)向外(即從a至A、a′至A′)逐漸增大,最大切向速度出現(xiàn)在凝聚槽內(nèi),即點A、A′處。根據(jù)離心力計算公式可知,氣流切向速度與離心力大小成正比,所以切向速度越大,氣流對纖維束的運輸、滑移和凝聚能力越強。
同樣,在輸纖管道垂直截面上作截線C-C′,如圖11、圖12所示。由圖11可清楚看到,從輸纖管道入口(C點)至出口(C′點),氣流速度共分為三個區(qū)段,并從入口處的0m/s逐漸增大至出口處的75m/s左右。遞增式氣流速度可使纖維在輸纖管道內(nèi)部平直輸送,對于纖維束的滑移和凝聚具有積極作用。
4.3 紡紗通道流線軌跡
在纖維輸送和凝聚加捻過程中,氣流分別從輸纖管道和引紗管進入紡紗通道[15],其運行流線軌跡如圖13所示。分析可知,在轉(zhuǎn)杯離心力和抽風(fēng)機負壓作用下,進入轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的兩股氣流從下向上旋轉(zhuǎn)流動,且大部分氣流最后由活絡(luò)通道出口流出。氣流整體流線輪廓與旋轉(zhuǎn)壁面形狀相似,最外層流線圈的氣流旋轉(zhuǎn)流動速度相對較快,最大流速分別在298m/s和213m/s左右。值得注意的是,雖然大部分旋轉(zhuǎn)流線較為規(guī)律,但在輸纖管道和引紗管氣流出口交界區(qū)域發(fā)生了流線匯交紊亂,說明這兩處的湍流強度明顯高于其他流域,與紡紗通道氣流速度場分析結(jié)果一致。
5 結(jié) 論
通過輸纖管道、凝聚槽、旋轉(zhuǎn)壁面、靜止壁面等關(guān)鍵流域流場特性的數(shù)值模擬與深入分析,對于抽氣式轉(zhuǎn)杯的氣流成紗機理有了清晰認識,同時有助于準(zhǔn)確理解纖維束在輸送、滑移、凝聚及加捻成紗過程中的壓力場和速度場特性。主要結(jié)論如下:
1)紡紗通道內(nèi)部靜壓為負值,在輸纖管道氣流出口上方區(qū)域存在旋渦狀高壓區(qū),最大靜壓值約-10923Pa。動壓在靠近滑移面和凝聚槽區(qū)域梯度明顯,壓力變化約在7000~24700Pa。靜、動壓在凝聚槽水平截面上呈環(huán)形層狀分布,且從轉(zhuǎn)杯中心向凝聚槽邊緣逐漸增大,有助于氣體流動和纖維束凝聚。
2)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流速度矢量整體呈旋轉(zhuǎn)流動狀態(tài),在輸纖管道出口處存在較大湍流速度。流場外壁(旋轉(zhuǎn)壁面)氣流速度明顯大于其他流域,最大流速位于凝聚槽邊緣,約為428.68m/s。凝聚槽水平截面上氣流以切向運動為主,輸纖管道垂直截面上氣流速度呈遞增式分布。紡紗通道速度場流向清晰、分布合理,符合抽氣式轉(zhuǎn)杯氣流運動特征和纖維輸送要求。
3)由輸纖管道和引紗管進入轉(zhuǎn)杯的兩路氣流從下向上旋轉(zhuǎn)流動,其中大部分氣流經(jīng)活絡(luò)通道出口流出。紡紗通道流線軌跡層界清晰、流向規(guī)律,但在來流交匯處流線較為紊亂,與壓力場旋渦高壓區(qū)和速度場湍流區(qū)分析結(jié)果相符。
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