基于CFD的細紗機吸棉笛管流場分析與改進優化

徐曄 韓冬桂 劉芳 燕怒

摘 要：細紗是紡紗生產的最后一道工序，其清潔系統性能的高低對紗線質量有著重要影響。針對吸棉笛管工作效率不足問題，基于計算流體動力方法（CFD），采用三維κ-ε湍流模型，利用Ansys Fluent軟件對吸棉笛管內腔氣流場進行了仿真計算。結果表明：現有吸棉笛管中x方向運動氣流主要集中于靠近后壁面區域，通過吸口的氣流垂直沖擊壁面后造成較大的氣流阻滯區域和氣流渦流區域。采用不超過26°角度導流孔對氣流場有一定的改善，增加了氣流向中間尾管x方向分量速度，提高了流出尾管氣流流量，減少了氣流垂直沖擊壁面造成的動能損失。

關鍵詞：吸棉笛管；氣流場；數值模擬；CFD；傾角

中圖分類號：TS112.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）04-0083-05

Abstract：Fining yarn is the last process of spinning yarn. The performance of cleaning system plays a great role for yarn quality. For the low working efficiency of suction tube， Ansys Fluent software was used to conduct simulation of airflow field of cotton suction tube by computational fluid dynamics method （CFD） and 3D k-ε model. Results indicate that the movement of airflow in the x direction mainly concentrated near the rear wall area. The larger airflow blocking area and airflow swirl area were caused after the airflow through the suction vertically impacts the wall. When the diversion hole with the angle no greater than 26° was applied， the airflow field was improved to certain degree， and x direction component speed of air flow towards the middle tail tube was accelerated. In addition， outflow of tail air increased， and the kinetic energy loss caused by the vertical impact wall decreased.

Key words：suction tube； airflow field； numerical simulation； CFD； angle of inclination

細紗是紡織工序中關鍵的一步，其產出的紗線質量直接關系到成品紡紗的品質好壞[1]。紗線在紡紗過程中被牽伸、加捻、卷繞，纖維在受到加捻外力和相互卷繞摩擦力中容易受到損傷，產生斷頭、雜屑、飛花[2]。吸棉笛管在高壓風機提供負壓動力下，對加捻工作區域提供穩定的吸風氣流如圖1所示。但是在實際生產中，通常一臺細紗機左右兩邊各有數百個錠子，兩側吸棉笛管一字排開，與中央風管相應部位連接。由于較長的中央風管造成負壓部分損耗，存在著中央風管末端處相對于始端供給吸棉笛管的負壓減小問題，進而使得管內吸入空氣流量下降。這導致了吸口堵塞和斷頭不能及時被吸走，出現纖維在皮輥、羅拉纏繞現象[3-4]。結構對吸棉笛管內氣流流動有著重要的影響。現在普遍使用的吸棉笛管設計年代較早，當初設計時由于條件所限對管空腔內空氣運動狀態認識和分析不足，存在需要改進完善的空間。近年來國內外如立達機械等對吸棉管結構做出了不同的改進[5-6]，但是對管內氣流場特性的研究較少。本文以某型號細紗機清潔系統的吸棉笛管作為研究對象，計算模擬出吸棉笛管的內腔氣流運動狀態，能夠觀察到不同設計結構的流場特性，獲得任意位置的速度和流量等參數。通過分析氣流流場分布狀況及特性，減小流場中阻滯區域。結構優化后的吸棉笛管在保持與優化前負壓條件和吸風性能不變的基礎上只需較小的負壓條件，能夠減小始末端吸棉管吸風流量差距，保證紗線質量一致性。

1 吸棉笛管及流域模型建立

1.1 吸棉笛管部件基本介紹

吸棉笛管位于細紗機前羅拉下，如圖2（a）所示。

吸棉笛管是關于中心對稱的細長空心體，正面有6個間距固定的吸棉孔，每個吸孔靠近前鉗口，為相應的加捻區域提供吸風氣流。后部有一尾管通過水平布置的中央風管與高壓氣泵相連接。整個管體是空心體，壁厚為2 mm。管體常用材料為鋁合金材質。

1.2 前處理

首先使用Solidworks軟件對吸棉笛管進行實體建模，忽略掉一些較小且不影響氣流運動的特征，把模型以x-t格式保存，然后導出到Meshing網格模型劃分軟件中，通過Fill工具抽取內腔，建立管內腔幾何模型，并將其與吸口附近外部擴展區域空間合并，作為計算氣流區域的模型。特別的對與壁面接觸的流體區域采用膨脹層方法劃分，使其網格更加精細，同時得到結果更加真實[7]。因為Fluent采用有限體積法將待計算的區域劃分為離散網格，網格的劃分方法和數量對數值模擬結果有著顯著影響[8]。最后對模型進行網格劃分，最大網格尺寸為0.5 mm左右，最小網格尺寸為0.2 mm左右。本文采用四面體網格，體網格數量為41萬左右，最終得到流體區域網格模型如圖2（b）所示。將該空腔體網格導入到Fluent中進行模擬仿真。氣體的流動遵循物理守恒定律。計算中遵循質量、能量、N-S方程、動量守恒方程[8]。

1.3 邊界條件的設置

本模擬使用定常流動，假設空氣為不可壓縮氣體，采用標準κ-ε湍流模型，流體粘性為1.81×10-5 kg/（m·s），密度為1.205 kg/m3。出口和入口均設定為壓力邊界條件，入口與大氣通，環境溫度為25 ℃，出口壓力設置為-1 000 Pa[9]。

2 仿真計算與分析

2.1 氣流場的軌跡與速度

如圖2所示，把吸棉笛管6個吸口編號為A、B、C、D、E、F口。通過以上邊界條件設置，數值模擬計算結果如圖3和圖4所示，在加捻紗線附近的空氣被吸棉笛管的6個吸口吸入，垂直撞到管后壁面向兩側擴散，空氣在內腔里向中心尾管運動再被匯集排出，氣流軌跡主要集中于靠近吸棉笛管后壁面區域，在兩吸口之間和后壁面附近伴隨有渦流。由圖4和圖5可知，氣流從外部通過吸口時速度最大，進入吸口后速度逐漸衰減，撞擊后壁面后速度急劇減小，靠近吸管后壁的區域中流速較快，但遠離后壁面的大部分區域流速較為緩慢。

2.2 內腔氣流阻滯區域分析

值得注意的是吸棉笛管的主要功能是把吸入的空氣向中間尾管匯集。以右半吸棉笛管為例，沿x軸正方向運動的快慢直接影響著尾管排出空氣流量的多少，因此腔內氣流x方向分量速度是本研究主要關注目標，是評價工作效率高低的評判指征。因此分析氣流沿x方向分量速度正負分布圖是判斷吸棉笛管效率高低的重要方法。圖6為x方向速度云圖，可以觀察到氣流穿過吸口后垂直撞向后壁向兩側擴散，內腔底部形成數個氣流阻滯區域帶，阻礙了管內氣流向尾管運動。如圖7（a）所示，在管內腔氣流流場中選取6個具有代表性的截面圖。在圖7（b）中x方向運動速度較大的氣流主要集中于靠近吸棉笛管后壁面區域，而遠離后壁面的中上部分運動較緩和。可見相同截面不同位置速度差別明顯。截面⑤中間區域速度衰減明顯，與左右區域差別較大，可知垂直氣流的沖擊干擾了氣流沿x正方向運動。

如圖8（a）所示，在吸口XY截面上取三條不同距離的平行直線。圖8（b）在遠離后壁面的線2、3位置上氣流沿x方向運動的速度較為緩和。但是在靠近后壁的線1位置上x方向的速度呈大幅度正負交替變化。如圖9所示在吸口附近和后尾管處存在有核心湍流區域。

綜上所述：空腔上下不同區域中氣流x方向運動速度差別較為明顯。x方向速度較大區域主要集中于靠近后壁面附近。雖然在靠近后壁面區域中氣流x方向速度較大，但是被垂直撞擊于后壁面兩側擴散的氣流所干擾呈正負變化，形成數個阻滯區域帶，因而需要對其進行優化設計。

3 吸棉管結構優化

3.1 增加導流孔有助于流場優化

根據前面的仿真分析，垂直沖擊的入射氣流是靠近后壁面附近區域的氣流速度較大且呈大幅度正負交替變化的主要原因。王輝等[10]在研究優化設計絡筒機吸紗風道時，運用增加導向性管道的方法以減小對后壁面沖擊和氣流動能損失，在一定程度上印證了改變氣流入射角度有助于提高氣流在管內運輸效率。通過增加導流孔改變氣流入射角度，以增加的相對緩沖距離和x方向運動區域，減小氣流阻滯區域和垂直撞擊后壁面造成的動能損失。

3.2 模型建立與仿真分析

通過Solidworks建立加裝導流孔后的參數化模型如圖10所示，以方便及時對角度α修改后吸棉笛管模型自動更新。建模軟件與Ansys Fluent關聯后可以方便地計算改變參數后的模擬流量。

以傾斜角度為0、15、30、45（°），長度為12 mm的參數建立增加導流孔的吸棉笛管模型。圖11為Y=10.9 mm處截面x方向速度云圖。通過圖11與圖12比較會發現改變導流孔傾斜角度后，內腔流場狀態有顯著變化。靠近后壁面x正方向運動區域明顯增大，且區域向正方向偏移。而x負方向運動區域（阻滯區域）明顯縮小。證實了通過增加導流孔可以改變入射氣流傾角，減小阻滯區域范圍，從而增加吸棉笛管吸入氣流流量。

由圖13可知，吸棉笛管的氣流量在一定范圍內隨著傾斜角度增大而提高，使得氣流運動阻滯區域減小和管內流場得到優化。但是隨著角度繼續增大，當角度α大于26°時，隨著孔傾斜角度的增大，可使吸棉笛管氣流量減小。由于過大的導流孔角度，使吸入氣流在孔口處運動方向急劇改變。氣流沖擊導流孔壁面的摩擦運動存在著動能損失。同時隨著角度的增大，導致導流孔的橫截面積隨著減小（S=S原·cos α），這也是導致吸棉笛管氣流流量下降因素之一。

在相同吸管結構下，尾管處設置負壓的大小與吸管的流量存在正相關關系。隨著尾管處負壓減小，管內出口流量隨之減小。通過改進結構，增加導流孔來改善管內流場狀態和提高吸入流量。通過仿真對比，改進后增加22°導流孔的吸棉笛管在-870 Pa條件下流量為0.005 09 m3/s與原吸棉管在-1 000 Pa時的流量0.005 14 m3/s較為相近。達到了在較小負壓條件下與始端位置吸棉笛管相近的吸棉效果。減小始末端吸棉笛管吸風性能差距，提高紗線產品一致性。

4 結 語

垂管內x方向運動氣流較為集中于靠近后壁面區域。垂直入射氣流和較小緩沖距是形成氣流x負方向運動區域（阻滯區域）的主要原因。通過增加的導流孔改變入射流的傾角，可以顯著得使靠近后壁面的氣流x正方向運動區域明顯擴大，同時向尾管處偏移，而x負方向運動區域（阻滯區域）明顯縮小，這使得在傾角一定范圍內的導流孔能提高吸棉笛管吸入流量。導流孔角度和長度等參數對流量結果的影響敏感度分析將在下一步研究完成。

參考文獻：

[1] 章友鶴.積極采用紡紗新技術，對節約用工和提升紗線品質的探討分析[J].現代紡織技術，2011，19（5）：24-27.

[2] 邵申梅，謝征恒.摩擦紡紗加捻成紗機理的研討[J].山東紡織工學院學報，1990（3）：10-16.

[3] 梁三江，劉淑強.環錠細紗試驗機吸棉裝置的改進[J].輕紡工業與技術，2015（1）：32-33.

[4] 唐善石.機械式緊密紡紗技術及工藝研究[D].上海：東華大學，2007.

[5] 王紅軍.節能創新型環錠紡吸棉笛管[J].國際紡織導報，2014，42（7）：58-59.

[6] 陳建.A513W型細紗機吸棉管結合件的改進[J].棉紡織科技，2000，28（4）：19.

[7] 鄢志丹，艾春偉，馬士騰.基于FLUENT的連續波泥漿脈沖仿真實驗研究[J].實驗技術與管理，2015（9）；51-53.

[8] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[9] 許文元，任志達.細紗機節能吸棉風機的設計與應用[J].現代紡織技術，2010，18（1）：16-17.

[10] 王輝，吳亞東，余文勝.自動絡筒機吸紗風道的優化設計[J].棉紡織技術，2011（5）：18-20.