何 闖，楊瑞華

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫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，是一種通過強負壓空間內(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)代計算機仿真技術的應用越來越廣，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流運動及分布極其復雜，又很難直接研究氣流分布的規(guī)律，而通過現(xiàn)代仿真技術就可以很好的解決這個問題。張奇等[2]運用FLUENT軟件模擬了紡杯內(nèi)的氣流流動特征，驗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)氣流流動特征，認為凝聚槽內(nèi)速度大小為T＞U＞S。林惠婷[4]在FLUENT中對輸纖通道中的氣流進行了模擬分析，認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)封閉空間的強負壓氣流運動特性也隨之發(fā)生波動，需要對轉(zhuǎn)杯紡紗器中氣流流動特性的深入研究。

為了進一步對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的運動過程進行研究分析，本文對不同直徑及不同凝聚槽類型的轉(zhuǎn)杯進行數(shù)學建模，分析模擬流場數(shù)值，研究氣流在轉(zhuǎn)杯內(nèi)運動特征，分析模擬數(shù)據(jù)，以期對轉(zhuǎn)杯紡紗工藝的優(yōu)化具有指導意義。

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)氣流復雜的運動狀況，引入了可壓縮黏性流動的湍流模型[4]。在輸棉通道的側(cè)視圖中，如上頁圖2所示，其側(cè)視投影近似于一個去掉尖端的楔形，通過其出入口的對比，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變化，因此近似的將輸棉通道視為一個二維楔形層流場，忽略Z軸方向上的變化。為對比不同直徑的轉(zhuǎn)杯以及不同類型凝聚槽的轉(zhuǎn)杯間氣流運動的差異，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型凝聚槽進行建模及模擬。

1.2 初始條件

經(jīng)計算入口邊界條件為0.0054 kg3/s，出口設置為－8000 Pa[5]，負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，氣體流場為標準k－ε湍流模型[7]。用SIMPLE算法對流場進行求解[8]，該流動滿足的流動方程見公式(1)和公式(2)。

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

2 轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流運動分析

2.1 不同直徑轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流運動分析

分別對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)部的氣流運動情況以及分布情況進行對比分析。氣流的流線圖軌跡顯示氣體流動的趨勢，顏色表示氣流速度的變化，由藍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程，在輸纖通道出口處，氣流的速度達到最高約150 m/s。氣流在這四種直徑轉(zhuǎn)杯的輸纖通道中的運動趨勢幾乎相同，但在氣流進入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯后運動狀態(tài)發(fā)生了改變。從上頁圖4、上頁圖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，如上頁圖4中序號1、2所示。轉(zhuǎn)杯同向轉(zhuǎn)動的氣流流量占主體，沖向凝聚槽內(nèi)與轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)動，氣流速度約為60 m/s。另一小部分氣流逆轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)向運動，之后，在轉(zhuǎn)杯底部某處兩股運動方向相反的氣流交匯在一起，如上頁圖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于轉(zhuǎn)杯內(nèi)纖維的伸直具有一定作用。

從上頁圖6、上頁圖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”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。旋渦會加速機械能的耗損，增加物體的流動阻力，降低機械效率。

從上頁圖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，同時碰撞后失速嚴重的氣流也較多，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”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，進而影響整個轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的穩(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，會影響轉(zhuǎn)杯內(nèi)其他氣流的運動形態(tài)，進而導致高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯受到不平衡力的作用，嚴重威脅轉(zhuǎn)杯的使用壽命。由表1及上頁圖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)氣流運動分析

對T型、G型、U型、V型凝聚槽的36 mm轉(zhuǎn)杯進行對比分析，模擬在不同類型凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的運動以及分布情況。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，故本節(jié)內(nèi)只列舉G、U、V三種凝聚槽轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流運動及分布情況。

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)向的氣流占比相對較少，流動速度也較低，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)氣流的運動軌跡較為不穩(wěn)定，失速情況更為嚴重，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模塊對轉(zhuǎn)杯以及輸棉通道進行建模，采用標準k－ε湍流模型獲得相關參數(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動特征。從模擬的結(jié)果來看，氣流在輸纖通道中做加速運動，速度分布為15 m/s－150 m/s，在輸纖通道出口處氣流速度達到最大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)了運動軌跡復雜的氣流，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。