兩種氣流槽聚式集聚紡紗集聚區氣流場的數值模擬

黃夢嵐，程隆棣，俞建勇，徐時平，王立波

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620； 2. 寧波德昌精密紡織機械有限公司，浙江 寧波 315040； 3. 山東濱州華潤紡織有限公司，山東 濱州 256600)

?

兩種氣流槽聚式集聚紡紗集聚區氣流場的數值模擬

黃夢嵐1，程隆棣1，俞建勇1，徐時平2，王立波3

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620； 2. 寧波德昌精密紡織機械有限公司，浙江 寧波 315040； 3. 山東濱州華潤紡織有限公司，山東 濱州 256600)

摘要：利用計算流體動力學(CFD)技術模擬金屬槽聚和膠圈槽聚集聚紡紗系統的流場，解析集聚區流場的速度矢量和靜壓分布，比較兩種氣流槽聚方式集聚紡的特點. 研究結果表明：相對于金屬槽聚式集聚紡，膠圈槽聚式集聚紡在前羅拉與槽聚羅拉處的氣流速度最大值更大，凹槽小孔表面的靜壓波動更小，這使得輸出紗條更穩定，更利于減小加捻三角區，從而使紗條毛羽更少；負壓源笛管有利于斷頭后多余須條的清理，其安裝位置稍靠近槽聚羅拉最后一個吸風小孔則清理效果更佳.

關鍵詞：集聚紡； 氣流槽聚； 流場； 模擬

集聚紡紗系統自問世以來得到迅速發展，其根據原理可分為3類：氣流負壓集聚、機械集聚、氣流和機械組合集聚[1-2].本文涉及的氣流槽聚式集聚紡紗系統屬于第3類，適用于毛型長纖維類的集聚紡紗.

文獻[3-4]均對氣流槽聚式集聚紡紗系統進行三維流場模擬，解析了集聚原理，但其研究均忽略了負壓源笛管對集聚作用的影響，笛管的作用是清理紡紗斷頭后的浮游須條. 本文針對毛紡專用氣流槽聚式集聚紡[5]，設計開發了膠圈槽聚式集聚紡系統，并加入笛管負壓作用，采用計算流體動力學(CFD)進行雙負壓數值模擬，與金屬槽聚式集聚紡系統的氣流運動規律進行對比分析，為產業化應用奠定理論基礎.

1流體動力學模型

1.1氣流槽聚式集聚紡紗裝置

氣流槽聚式集聚紡紗系統的集聚由氣流集聚與形狀集聚組成[6]，在前牽伸羅拉前加裝槽型集聚羅拉，通過膠圈摩擦帶動槽聚羅拉轉動.槽聚羅拉凹槽處有均勻分布的小孔，羅拉內與吸風負壓連接，從前羅拉輸出的纖維須條緊貼槽聚羅拉表面輸出，纖維須條與槽聚羅拉吸風工作區即集聚區域.

本文采用金屬槽聚式和膠圈槽聚式兩種槽聚系統，其槽聚羅拉如圖1所示. 金屬槽聚羅拉與紗線接觸的溝槽為金屬，膠圈僅作為摩擦傳動的工具；膠圈槽聚羅拉與紗線接觸的溝槽是橡膠，膠圈集集聚、傳動為一體. 圖2為便于數值計算的集聚區域剖視圖，笛管位于槽聚羅拉最后一個吸風孔略下方.

(a) 金屬　　　(b) 膠圈

1—前膠輥；2—前羅拉；3—笛管；4—紗線；5—膠圈槽聚羅拉圖2　膠圈槽聚式集聚區剖視圖Fig.2　Cutaway view of rubber groove convergence zone

1.2流體動力學模型的建立

為簡化計算，假設槽聚羅拉相對靜止，因內膽的存在可認為非吸風工作區無氣流流動.空氣通常視為可壓縮流體，因紡紗系統中吸氣負壓差值較小且幾乎無溫差，空氣的體積變化也很小. 因此，在本文中假設氣流為黏性不可壓縮流體.

利用Ansys 14.0 Fluent板塊建立流場模擬區域兩種槽聚方式的集聚紡流體動力學模型，如圖3所示. 以槽聚羅拉中心軸的中心為原點坐標、槽聚羅拉中心軸朝槽聚羅拉端蓋位置為x軸正向、紗線輸出垂直向下為y軸正向、槽聚羅拉中心截面水平為z軸正向. 其中，金屬槽聚式集聚紡紗系統共有13個吸風小孔工作，膠圈槽聚式集聚紡紗系統有6個腰圓孔和12個小圓孔，共18個有負壓作用的孔.

(a) 金屬槽聚式

(b) 膠圈槽聚式

1.3流體模型參數設置

在模擬模型流體運動前，需對其進行參數設置.為比較兩模型的差異，減少變量，可將兩者設定為相同的參數.以面1～7為壓力進口、面8和9為壓力出口，壓力值以實際生產中負壓表測量得到，設置進口壓力為0，面8笛管口出口壓力為-800 Pa，面9槽聚羅拉出口壓力為-2 200 Pa，以混合網格劃分模型，使用κ-ε湍流模型，采用SIMPLEC算法[7-8]，時間步長為0.5 s，收斂精度為10-3.

2計算結果與分析

2.1三維流場流動特征

根據上述模型及參數設置，對兩種氣流槽聚式集聚紡紗系統進行模擬，兩種集聚紡紗系統槽聚羅拉吸風小孔位置和槽聚羅拉與笛管交接位置zy平面速度矢量圖如圖4所示.

(a) 金屬槽聚式

(b) 膠圈槽聚式

由圖4可知，兩種槽聚式的氣流速度方向基本平行，不會有須條隨意跳動，這是正常紡紗的前提.金屬槽聚式集聚紡各小孔的氣流速度基本相同，膠圈槽聚式集聚紡中間位置小孔的氣流速度最大，且大于金屬槽聚式的，此處正是須條加捻三角區的位置. 因膠圈槽聚羅拉溝槽更靠近前羅拉，膠圈與紗條接觸的弧長更長，須條陷入溝槽就越深，負壓產生的氣流速度越大，從前羅拉輸出的紗條無捻區更少，越有利于減小加捻三角區，使得在加捻過程中，將扁平狀邊緣纖維捻入紗線主體中，從而減少毛羽.

在紡紗過程中，笛管的作用是在紡紗斷頭后清理多余的須條. 由于槽聚羅拉表面小孔負壓大于笛管口負壓，在正常紡紗階段，笛管的吸風負壓對紗線不會產生影響.當紡紗斷頭后，金屬槽聚式集聚紡在槽聚羅拉和笛管之間的一小段無風區，會引起紗線的浮游不定，不能完全被笛管吸走，從而導致紗線糾纏槽聚羅拉，產生繞花.

由圖4(b)可知，膠圈槽聚式集聚紡的笛管位置與槽聚羅拉最后一個小孔略有交叉時，交叉處無湍流出現，能滿足紡紗要求，因此，在實際生產中可將笛管安裝于靠近槽聚羅拉最后一個小孔的位置.

2.2集聚區流場靜壓分布分析

兩種氣流槽聚式集聚紡靜壓分布規律如圖5所示，并在zy平面提取槽聚羅拉小孔位置的靜壓值如圖6所示.

(a) 金屬槽聚式

(b) 膠圈槽聚式

圖6　兩種槽聚式集聚紡的槽聚羅拉小孔表面靜壓分布規律Fig.6　Static pressure distribution of groove roller holes of two compact spinning systems with inspiratory groove

槽聚羅拉上的小孔不連續，因此在小孔表面會有負壓的波動. 由圖6可見，膠圈槽聚式的集聚紡紗系統由于存在腰圓孔形狀的大孔，其靜壓變化在1 100 Pa以內，且變化更規律；與之相比，金屬槽聚式集聚紡紗系統的靜壓波動在1 700 Pa內.槽聚羅拉小孔表面負壓的波動可能會引起紗線在凹槽內的跳動，須條不穩定，從而影響紗線的集聚效果.因此，此數值計算結果可得出，膠圈槽聚式集聚紡因凹槽小孔表面的負壓波動少，更有利于紗條減小加捻三角區，集聚更緊密.

3結語

本文利用Fluent軟件對兩種氣流槽聚式集聚紡紗系統進行流場數值模擬，可得出下述結論：

(1) 加入負壓源笛管的模型更接近實際生產，且笛管的位置與槽聚羅拉最后一個吸風小孔稍有重疊時，更利于笛管發揮清理浮游纖維的作用;

(2) 膠圈槽聚式集聚紡的槽聚羅拉更靠近前羅拉，在槽聚羅拉與前羅拉中心連線位置，即形成加捻

三角區位置，膠圈式的槽聚羅拉吸風小孔負壓更大，更利于減小加捻三角區，從而有效地集聚毛羽;

(3) 較金屬槽聚式，膠圈槽聚式集聚紡的槽聚羅位小孔表面負壓波動更小，須條在槽聚羅拉凹槽內更穩定，從而紡紗更穩定，集聚效果更佳.

通過對紡紗集聚區建立模型，利用計算流體動力學技術模擬兩種氣流槽聚式集聚紡紗系統的流場，為實際生產試驗設計提供理論依據.

參考文獻

[1] SU X Z, GAO W D, LIU X J, et al.Numerical simulation of a three-dimensional flow field in compact spinning with a perforated drum: Effect of a guiding device[J]. Textile Research Journal, 2013, 83(19)：2093-2108.

[2] 陸世麟, 馬洪才, 程隆棣. 氣流槽聚型長纖維緊密集聚紡紗系統流場模擬與分析[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2012, 38(1): 16-20.

[3] 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, 35(3): 294-298.

[4] 劉世瑞. 氣流槽聚型集聚紡紗系統流場的數值分析[J]. 毛紡科技, 2011(7): 36-39.

[5] 瞿彩蓮, 李濟群. 緊密紡細紗機在棉、毛紡中的對比分析[J]. 現代紡織技術, 2006(2): 20-22.

[6] ZHANG X C, ZOU Z Y, CHENG L D. Numerical study of the three-dimensional flow field in compact spinning with inspiratory groove[J]. Textile Research Journal, 2010, 80(1): 84-92.

[7] XUE W L, WEI M Y, ZHANG N, et al. Numerical simulation on the condensing effect of suction slot in compact spinning with lattice apron[J]. Journal of the Textile Institute, 2012, 103(10): 1116-1126.

[8] DOU H P, LIU S R. Trajectories of fibers and analysis of yarn quality for compact spinning with pneumatic groove[J]. Journal of the Textile Institute, 2011, 102(8): 713-718.

文章編號：1671-0444(2016)03-0370-04

收稿日期：2015-06-08

作者簡介：黃夢嵐(1992—)，女，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向為集聚紡紗技術與紗線性能. E-mail: menglan1210@126.com 程隆棣(聯系人)，男，教授，E-mail: ldch@dhu.edu.cn

中圖分類號：TS 101.2

文獻標志碼：A

Numerical Simulation of Flow Field in Condensing Zone of Two Compact Spinning Systems with Inspiratory Groove

HUANGMeng-lan1,CHENGLong-di1,YUJian-yong1,XUShi-ping2,WANGLi-bo3

(1. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Ningbo Dechang Precision Textile Machinery Co. Ltd., Ningbo 315040, China;3. Shandong Binzhou China Resources Textiles Co. Ltd., Binzhou 256600, China)

Abstract:The CFD (computational fluid dynamic) was used to simulate the flow field of two compact spinning systems with inspiratory groove including metal and rubber groove. Velocity vector and static pressure distribution of the flow field in gathering area were analyzed, and characteristic of the two compact spinning systems with inspiratory groove was compared. The results show that the maximum fluid velocity by the place between front roller and compact groove of compact spinning with rubber groove is faster than compact spinning with metal groove, the fluctuation of static pressure of rubber groove one is relatively smaller. It makes output yarn more stable, twisting triangle smaller, hairiness less. The function of pipe is cleaning surplus fibers. The position of pipe near last hole of groove roller is better.

Key words:compact spinning; inspiratory groove; flow field; simulation