網眼羅拉緊密紡集聚區三維流場數值模擬與分析

梅 恒，徐伯俊，蘇旭中，徐 紅，徐耀林

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122;2.新疆大學 藝術設計學院，新疆 烏魯木齊 710049;3.江蘇雙山集團股份有限公司，江蘇 射陽 224300)

隨著計算機技術的不斷發展與進步，計算流體動力學軟件Fluent在紡織領域得到了越來越廣泛的應用。氣流集聚型緊密紡可分為網格圈型、網眼羅拉型以及多孔膠圈型。汪燕等［1－3］研究了網格圈緊密紡系統集聚區流場的流動情況，對吸氣斜槽入口曲面上不同位置的速度及靜壓分布進行表征;鄒專勇等［4－5］討論了鉆孔皮圈緊密紡紗系統集聚區域的流場流動情況及其對集聚效果的影響;高金霞等［6－7］研究了網眼羅拉型集聚紡系統中纖維須條在流場作用下的運動規律，獲得了纖維在集聚區的運動軌跡。到目前為止，對網眼羅拉緊密紡系統集聚區氣流運動規律，還缺少深入的研究和探討。本文選取網眼羅拉緊密紡系統為研究對象，通過建立計算流體動力學模型對三維流場進行數值仿真與分析，以便更深入地了解網眼羅拉緊密紡系統的集聚機制，為后續的各項優化參數設計以及設計更加高效節能的網眼羅拉緊密紡系統提供理論參考。

1 計算流體動力學模型的建立

1.1 網眼羅拉緊密紡系統簡介

網眼羅拉緊密紡結構如圖1所示。網眼羅拉緊密紡裝置是以三羅拉環錠紡為基礎，將原來的前下羅拉替換成表面有圓形通槽的網眼大集聚羅拉，在集聚羅拉內部位置固定有吸風插件，負壓穿過圓形通槽對集聚羅拉上的須條施加作用力，縮小須條寬度，完善須條結構，從而改善紗線質量［8］。

圖1 網眼羅拉緊密紡系統Fig.1 Compact spinning system with perforated rollers

1.2 物理模型的建立

圖2 網眼羅拉緊密紡系統物理模型Fig.2 Condensing zone physical model of compact spinning with perforated rollers

網眼羅拉緊密紡系統物理模型如圖2所示。網眼羅拉外徑為59 mm，內徑為53 mm，膠輥半徑為15 mm，圓孔直徑為0.8 mm，分布密度為80孔/cm2。物理模型中忽略了須條的存在，對氣流導向裝置的結構做了適當簡化，設定須條的輸出方向為X軸正方向，須條聚集方向為Y軸方向，須條厚度方向為Z軸方向。

設定吸風槽底面為模型的壓力出口邊界，負壓為－2500Pa;面1、面2、面3、面4、面5 為模型的壓力入口邊界，壓力值為1個標準大氣壓;其余面設為無滑移壁面。

2 軟件參數設定

網眼羅拉物理模型的網格劃分采取TGrid方法，生成三維非結構混合網格，網格間距為1 mm，共生成1453995個網格單元。

由于集聚區域內氣流流動速度較低，故將氣流流動計算界定為三維定常不可壓縮湍流流動，因此，選擇三維單精度分離求解器做定常計算，設定計算環境為1個標準大氣壓，不考慮重力的影響，湍流采用壁面函數法。離散格式為一階迎風方式，離散方程組采用求解壓力 速度耦合方程的半隱方法計算，擴散項離散采用中心差分，逐行迭代［9－10］。

3 計算結果分析與討論

3.1 集聚區域流場運動特征

X軸向為須條的集聚方向，垂直于X軸向做一截面，提取 YZ截面上速度等高流線，如圖3所示。氣流在負壓作用下，穿過空心羅拉表面網眼，流入吸風槽內。網眼處的流速要比集聚羅拉表壁的高，而且由網眼內壁向通槽中心有個流速遞變過程，在每個網眼中心區域的流速都要比靠近通槽壁面的流速要高。這是因為靠近圓孔邊緣的氣流會受到壁面的黏滯力作用，能量有所耗散。圖4為纖維各部分受力示意圖。可以看到，纖維在前進過程中，會跨越幾個網眼，纖維各處受力都不相同，隨著纖維的前進，纖維各處的受力情況也會改變，纖維之間易于相互糾纏。流場作用范圍與吸風槽長度相匹配，作用范圍比吸風槽長度略長，為了保證須條經過前牽伸膠輥鉗口后能立即被吸風槽端口的延伸氣流捕獲，并將這種氣流作用力一直持續到輸出鉗口，必須使吸風槽延伸到2個鉗口附近。

圖3 YZ截面速度流線Fig.3 YZ section speed flow diagram

圖4 纖維各部分受力示意圖Fig.4 Fiber stress diagram

Y軸正方向為須條輸出方向，垂直于Y軸作一截面，提取XZ平面上速度流線，如圖5所示。集聚羅拉外表面的氣流基本上平行于須條集聚方向運動，到達吸風槽口位置時，再以一定的傾斜角度流入網眼內。圖6為集聚過程纖維翻轉示意圖。由圖可知，須條外側的纖維受到水平推動力向吸風槽中心運動，到達吸風槽位置時，氣流方向逐漸傾斜，纖維逐漸受到1個向下作用力，使得這個區域的纖維有向下運動的趨勢，外側纖維不斷向中心區域堆積，中心區域的纖維向下擠壓擴散，不斷糾纏翻滾，須條形成凹陷包覆結構。

圖5 XZ截面速度流線Fig.5 XZ section speed flow diagram

Z軸向為須條的厚度方向，垂直于Z軸作一截面，提取XY平面上速度流線，如圖7所示。流場基本呈對稱結構，不僅吸風槽左右兩端對稱，而且吸風槽上下位置也存在對稱現象，理論上來說吸風槽中心位置也就是須條的中心位置。由于氣流導向裝置兩側完全封閉，氣流基本上從須條前進方向的兩側以傾斜角度進風，這樣既給須條一個集聚方向的作用力，又能給一個前進方向的作用力，須條在前進方向上主要受2個力作用:一個是集聚羅拉表面的摩擦力，這個是須條前進的主作用力;另一個是氣流的作用力，這個是輔助作用力。

圖6 集聚過程纖維翻轉示意圖Fig.6 Fiber movement of concentration area

圖7 XY截面速度流線Fig.7 XY section speed flow diagram

3.2 不同高度區域流速分布規律及分析

距離空心羅拉外表面上沿著Z軸不同高度距離用h表示。本文選取 h=0.5、1.0、2.0mm處的各軸向流速值進行對比分析。

圖8(a)示出不同高度區域的X軸向(須條集聚方向)速度分量分布。X軸向速度分量對須條的作用體現在對須條的橫向集聚，縮小須條寬度。在吸風槽中心線兩側的速度方向相反，負值表明速度方向指向X軸負方向。氣流在向吸風槽流入過程中，X軸向風速逐漸遞減，到達吸風槽中心位置時，風速為零。須條橫向收縮時受到2個力:氣流的橫向作用力，這是推動力;須條間及集聚羅拉外表面的摩擦力，這是阻力。須條在集聚過程中，所受橫向作用力有個遞變過程，外側的纖維受到橫向作用力比須條中心位置的須條受到橫向氣流作用力強。當橫向作用力大于摩擦阻力時，纖維產生集聚;當二者相等或者橫向作用力小于摩擦阻力時，纖維保持不動，這也是理論上須條能縮小到的最小寬度。

圖8 不同高度集聚區速度分量分布Fig.8 Velocity vector distribution in convergence zone at different heights.(a)X axial velocity component;(b)Y axial velocity component;(c)Z axial velocity component

圖8(b)示出不同高度區域的 Y軸向(須條輸出方向)速度分量分布。Y軸向速度分量對須條的作用體現在輔助須條前進，改變纖維狀態。Y向風速波動性較大，這是受網眼的影響，在每個網眼處，速度值由圓孔壁面向圓孔中心部分逐漸增大，并且吸風槽口中心線處的流速值要大于其他位置流速值。距離空心羅拉外表面越遠，氣流受網眼的影響越小，流速值波動逐漸減小，同時流速值逐漸降低。在集聚過程中，同一截面內的不同纖維受力各不相同，這樣有利于形成互相糾纏包覆結構，須條的寬度在減小，其結構也在不斷調整。

圖8(c)示出不同高度區域的Z軸向(須條厚度方向)速度分量分布。Z軸向速度分量對須條的作用體現在使須條緊貼在空心羅拉表面，防止須條逸散，在吸風槽中心處的 Z軸向流速最大，這和圖5所示的 Y軸截面速度流線相對應:在吸風槽中心處，基本上是平行于Z軸向的速度流線。這種速度分量分布能使須條在成型過程中，須條結構能不斷調整，中心處的纖維受到最大作用力擠壓形成凹陷，旁邊位置的纖維向中心填補，這樣反反復復，纖維位置不斷變化，纖維互相糾纏包覆，直至到達輸出鉗口。

4 結論

通過以上的數值仿真結果及分析，可以得出以下結論:

1)網眼處的流速要比集聚羅拉外壁的高，而且由網眼內壁向通槽中心有個流速遞變過程，在每個網眼中心區域的流速都要比靠近通槽壁面的流速要高，這樣使得須條更容易糾纏包覆。

2)集聚羅拉外表面的氣流基本上平行于須條集聚方向運動，到達吸風槽口位置時，再以一定的傾斜角度流入網眼內，這有助于須條形成凹陷包覆結構。

3)氣流在向吸風槽流入過程中，X軸向風速逐漸遞減，到達吸風槽中心位置時，風速為零。

4)在吸風槽中心處的Z軸向流速最大，這樣須條在成型過程中，須條結構能不斷調整，中心處的纖維受到最大作用力擠壓形成凹陷，旁邊位置的纖維向中心填補，這樣反反復復，纖維位置不斷變化，纖維互相糾纏包覆，直至到達輸出鉗口。

［1］汪燕，華志宏，程隆棣，等.網格圈型集聚紡集聚區工藝參數對集聚效果的影響［J］.紡織學報，2010，31(2):27－32.WANG Yan，HUA Zhihong，CHENG Longdi，et al.Influence of processing parameters on quality of fiber compact in condensing zone of compact spinning with lattice apron［J］.Journal of Textile Research，2010，31(2):27－32.

［2］鄒專勇，汪燕，俞建勇，等.網格圈集聚紡紗系統三維流場表征與分析［J］.紡織學報，2009，30(6):24－28.ZOU Zhuanyong，WANG Yan，YU Jianyong，et al.Characterization and analysis of three dimensional flow field in compact spinning with lattice apron［J］.Journal of Textile Research，2009，30(6):24－28.

［3］高小亮，謝春萍，蘇旭中.負壓對緊密紡成紗質量的影響［J］.國際紡織導報，2007(6):48－50.GAO Xiaoliang， XIE Chunping， SU Xuzhong. The effect of negative pressure on the quality of compactspun yarns［J］.Melliand China，2007(6):48－50.

［4］竺韻德，鄒專勇，俞建勇，等.氣流槽聚型集聚紡紗系統三維流場的數值研究［J］.東華大學學報:自然科學版，2009(3):294－298.ZHU Yunde，ZOU Zhuanyong，YU Jianyong，et al.Numerical study of three dimensional flow field in compact spinning system with inspiratory groove［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2009(3):294－298.

［5］鄒專勇，竺韻德，俞建勇，等.鉆孔皮圈集聚紡紗系統三維流場的模擬與分析［J］.紡織學報，2009，30(4):111－116.ZOU Zhuanyong，ZHU Yunde，YU Jianyong，et al.Simulation and analysis of three dimensional flow field in punched apron compact spinning［J］.Journal of Textile Research，2009，30(4):27－32.

［6］高金霞，華志宏，程隆棣.網眼羅拉集聚紡集聚效果的影響因素［J］.紡織學報，2010，30(5):112－116.GAO Jinxia，HUA Zhihong，CHENG Longdi.Factors influencing compacting effect of compact spinning with perforated rollers［J］.Journal of Textile Research，2010，30(5):112－116.

［7］高金霞，鄒專勇，華志宏，等.網眼羅拉型集聚紡集聚區須條集聚機理分析［J］.東華大學學報:自然科學版，2009(5):515－519.GAO Jinxia，ZOU Zhuanyong，HUA Zhihong，et al.Analysis of condensing principle of fiber bundle in compact apinning with perforated drum ［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2009(5):515－519.

［8］高娜.幾種緊密紡裝置使用情況對比［J］.上海紡織科技，2010(8):49－51.GAO Na.The use comparison of several compact spinning devices［J］.Shanghai Textile Science ＆Technology，2010(8):49－51.

［9］謝春萍，潘鵾鵬，蘇旭中，等.基于Fluent的緊密紡大風機系統流場模擬與分析［J］.紡織學報，2009，30(10):130－133.XIE Chunping，PAN Kunpeng，SU Xuzhong，et al.Flow simulation and analysis on FDF of compact spinning based on Fluent［J］. Journal of Textile Research，2009，30(10):130－133.

［10］王偉，李紅陽，王長彬.基于 Fluent模擬的掘進工作面風流溫度預測［J］.煤礦安全，2010(6):4－5.WANG Wei，， LIHongyang， WANG Changbin，Forecasting of airflow temperature in heading face based on fluent simulation［J］.Coal Mine Safety，2010(6):4－5.