輸棉通道位置對轉杯紡纖維運動的影響

鄧茜茜 楊瑞華

摘要： 為了研究輸棉通道位置對纖維在紡紗通道中運動的影響，文章以直徑42 mm轉杯為例，采用Ansys軟件中ICEM-CFD建立三維抽氣式轉杯紡紗通道模型，在Fluent商用軟件中計算連續相氣體流場，根據連續相計算結果擬合離散相纖維運動軌跡。保持邊界條件不變，比較輸棉通道位置不同時（Y=13 mm、Y=9.75 mm、Y=6.5 mm）轉杯紡紗通道內氣流分布特征及纖維運動軌跡的差異。試驗結果表明：Y=13 mm（工況a）時，輸棉通道內氣流速度與壓強變化梯度最大，有利于伸直纖維;工況b時，轉杯凝聚槽負壓最大，纖維進入轉杯能較好地凝聚匯集，有利于纖維緊密凝聚成紗;輸棉通道位置過低（工況c），轉杯內部渦流分布不均，不利于轉杯高速平穩轉動。

關鍵詞： 轉杯紡;Fluent;輸棉通道;氣流;數值模擬

Abstract： In order to study the influence of the fiber transfer channel position on the motion of the fiber in the spinning channel， a 42 mm-diameter rotor was used as an example to establish a three-dimensional pumping rotor spinning channel model with ICEM-CFD in Ansys software. Continuous phase gas flow field was calculated in the Fluent commercial software. The discrete phase fiber motion trajectory was fitted according to the continuous phase calculation result. The boundary conditions remained unchanged， and the airflow distribution characteristics and differences of fiber motion trajectory in the rotor spinning channel were compared when the position of the fiber transport channel was different（Y=13 mm， Y=9.75 mm， Y=6.5 mm）. The test results showed that： Y=13 mm（condition a）， the airflow velocity and pressure gradient in the fiber transport channel were the largest， which is conducive to straightening the fiber. Under working condition b， the negative pressure of the rotor was the largest， and the fiber in the rotor could be well converged， which is beneficial to the close cohesion of the fibers into the yarn. When the position of the fiber transport channel was too low（condition c）， and the vortex distribution inside the rotor was uneven， which is not conducive to the high-speed and smooth rotation of the rotor.

Key words： rotor spinning; Fluent; fiber transfer channel; airflow; numerical simulation

轉杯紡作為新型紡紗的一種，具有高速度、大卷裝、廢落棉適紡性良好等特點。轉杯紡紗時，由分梳輥對纖維須條進行開松梳理，纖維隨紡紗器內負壓形成的氣流經過輸棉通道進入轉杯，在凝聚槽內匯集并合形成纖維條，經過加捻形成紗線從引紗管引出[1]。近年來，由于計算機技術的快速發展，基于計算流體動力學的數值計算方法廣泛應用于紡織類領域，國內外學者通過數值計算對紡織加工技術進行研究，以優化改進紡紗方法。轉杯紡在封閉空間內的高速強負壓氣流場中完成成紗過程，研究成紗過程中的氣流場特征和纖維運動形態是分析紗線結構性能和改進成紗過程的重要手段。Kong等[2]通過數值模擬方法探索了分梳輥位置對轉杯紡氣流場的影響，分析了輸棉通道中的纖維形態;武傳宇等[3]采用Fluent軟件對轉杯內氣流場進行分析，指出轉杯滑移角小于27°最有利于纖維凝聚成紗;肖美娜等[4]研究了轉杯紡紗通道內氣流的運動，分析了轉杯的轉速、轉動方向等因素對紡紗通道內氣流流動特性的影響;林惠婷等[5]分析了輸棉通道內氣流流動特征及彎鉤纖維運動形態，指出輸棉通道內纖維傾向于向中心處運動。國內外學者們研究了工藝參數對紡紗通道氣流場的影響，而關于纖維在紡紗通道內運動規律的相關文章報道較少。

本文對轉杯紡紗通道中纖維的運動特性進行分析，應用Fluent軟件對不同輸棉通道位置時轉杯紡紗通道內的氣流分布進行模擬計算;采用DPM模型，將氣流視為連續相，纖維簡化為離散顆粒，探索轉杯紡紗過程中纖維分布及運動規律，為優化轉杯紡紗器結構提供理論依據。

1 成紗器三維幾何模型

研究思路為先建立轉杯紡成紗器的動力學模型，計算氣體連續相流場;再結合流場變量計算每顆粒子的受力情況，獲得粒子的速度并追蹤每一顆粒子的軌道，研究纖維在轉杯紡紗器中的運動軌跡。

在轉杯紡紗過程中，抽氣通道將轉杯內空氣抽走，轉杯內形成負壓，輸棉通道與引紗管作為補氣口，輸棉通道入口進入的空氣將纖維有序地輸送至轉杯。在此背景下，建立抽氣式轉杯紡紗機的紡紗通道模型，研究抽氣式轉杯紡紗通道的氣流分布特性。根據Fluent軟件特性，將轉杯紡紗器簡化，除去接觸不到氣流的壁面，在三維坐標系下建立用于仿真模擬的三維幾何模型，如圖1所示。其中轉杯直徑D=42 mm，滑移角ɑ=22°，坐標原點位于轉杯底部中心，在X=7 mm處建立Y-Z方向的輸棉通道豎直截面A-A，在Y=3.5 mm處建立X-Z方向的凝聚槽截面B-B。

輸棉通道中心線與轉杯壁面相交，設交點為F點，F點的縱坐標Y值表示F點與轉杯底部的距離，該距離隨輸棉通道出口與轉杯相對位置的變化而發生改變。

保持抽風機功率、轉杯形狀、轉杯轉速、輸棉通道長度和傾斜角等參數不變，研究輸棉通道出口位置不同時轉杯紡紗器中氣流分布規律及纖維運動規律的變化，設計方案見表1。

2 轉杯紡紗器的數值模擬

2.1 數學模型

2.1.1 連續相計算模型

先計算連續相氣流分布規律。為簡化研究，不考慮熱交換，假定轉杯內高速氣流為可壓縮黏性流動，氣體流場為湍流模型[5]，流動滿足質量守恒方程和動量守恒方程[6-7]。

式中：uk代表氣流在xk方向的速度分量;ρ為氣體密度，P為氣體壓強;Re為雷諾數;τij為牛頓流體黏性應力張量。其中，μ為氣體動力黏性系數;δij為Komecker delta函數;Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能K的產生項;Gb為浮力引起的湍流動能的產生項;YM為可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的影響;σk和σε分別為湍流動能k與耗散能ε對應的普朗特數;C1ε、C2ε、C3ε為常數。

2.1.2 離散相計算模型

根據連續相氣流場模擬計算的結果擬合顆粒軌跡，顆粒運動滿足牛頓第二定律[9]，計算方程為：

式中：F-表示加速度項，FD（μ--μ-p）為每單位粒子的阻力，μ-表示流體相速度，μ-p表示粒子速度，μ表示流體分子黏度，ρ表示流體密度，ρp表示粒子密度，dp表示粒子直徑，Re為雷諾數。

2.2 邊界條件設置

氣流場數值模擬采用標準k-epsilon模型，近壁面應用壁面函數法，應用Simple算法進行氣流場的耦合求解[10-11]。其中邊界條件設置為：

1）進口邊界：引紗管出口相當于補氣口，不考慮分梳輥的影響，設輸棉通道入口與引紗管出口為壓力入口，為環境大氣壓。

2）出口邊界：根據紡紗工藝，將轉杯與假捻盤之間的空隙設為壓力出口，出口相對壓為-8 000 Pa，方向為垂直壁面方向。

3）固體邊界：將轉杯設為旋轉壁面，轉速為120 000 r/min，壁面皆設為無滑移壁面，遵循無滑移邊界條件。

為了簡化研究，忽略粒子質量對運動的影響，設置粒子類型為Massless，將輸棉通道入口設置為噴射源，其余選項保持默認。

3 模擬結果與分析

3.1 流場分析

3.1.1 壓強分布規律

圖2表示不同工況時輸棉通道中心線上的壓強變化。圖3為不同工況時轉杯內壓強變化情況。圖4為轉杯凝聚槽一周（0°～360°）各個角度處的靜壓分布，0°表示輸棉通道中心延長線與凝聚槽交匯處，角度沿順時針方向遞增。由圖2可知，輸棉通道中心線的壓強分布范圍及變化梯度基本一致，各工況下輸棉通道內靜壓絕對值由入口到出口逐漸增大，在輸棉通道出口達到最大值。工況a壓強分布梯度最大。由圖3、圖4可知，工況a凝聚槽靜壓分布為-6 300～-7 990 Pa，工況b凝聚槽靜壓分布為-4 080～-8 030 Pa，工況c凝聚槽靜壓分布為-5 100～-7 980 Pa，且靜壓最大值均處于輸棉通道中心延長線與凝聚槽交匯處（0°位置）。工況b時0°位置靜壓值最大，為-4 080 Pa;工況c時0°位置的靜壓值居中，為-5 100 Pa;工況a時0°位置的靜壓值最小，為-6 300 Pa。

在抽氣風機和轉杯高速旋轉的共同作用下，轉杯紡紗器內部形成強負壓。負壓的大小對纖維的輸送與并合凝聚有重要影響。輸棉通道內的負壓有利于纖維從分梳輥處剝離、加速運動至輸棉通道出口并向轉杯壁面滑移。進入轉杯的纖維在轉杯內負壓的帶動下沿滑移面凝聚。轉杯凝聚槽的負壓越高，越有利于吸附纖維，使纖維在轉杯凝聚槽匯集。

3.1.2 氣流速度分布規律

圖5表示A-A截面氣流速度變化情況。圖6表示不同工況時輸棉通道中心線的氣流速度分布情況。圖7表示不同工況時凝聚槽截面（Y=3.5 mm）上氣流速度矢量變化。圖8表示不同工況時轉杯內氣流速度矢量分布。由圖5可見，氣流從輸棉通道進入，在輸送通道出口處達到速度最大值并沖入轉杯，形成沖擊氣流渦，在高速旋轉轉杯帶動下隨轉杯旋轉方向轉移至凝聚槽。隨著輸棉通道橫截面積逐漸變小，氣流速度不斷增大，有利于纖維在輸送過程中的伸直。

圖6分別為三種工況時輸棉通道中心線上氣流速度的分布情況，其中橫坐標代表輸棉通道中心線位置，0代表輸棉通道中心線入口點，100代表輸棉通道中心線出口點;縱坐標表示輸棉通道中心線處的氣流速度值。工況a時，輸棉通道出口距離轉杯底部的距離（Y值）為13 mm，輸棉通道內氣流速度為10.7～118 m/s。工況b時，Y值為9.75 mm，輸棉通道內氣流速度為10.2～115 m/s。工況c時，Y值為6.5 mm，輸棉通道內氣流速度為12.87～116.15 m/s。

模擬結果表明，當轉杯轉速和輸棉通道入口邊界條件均一致時，輸棉通道內氣流分布特性與輸棉通道位置有關。圖6中，曲線a斜率變化最大，即與工況b和c相比較，工況a時氣流變化最大。輸棉通道內氣流速度差異大有利于纖維平行伸直度的提高，即工況a最有利于彎鉤纖維及卷曲纖維的伸直。

在實際生產中可以根據原料特性，例如當原料纖維中彎鉤較多時，可以參考工況a，設定合適的機件參數。

由圖7、圖8可知，各工況下，轉杯內渦流速度分布范圍不同。Y值越小，氣流從輸棉通道轉移至凝聚槽時的速度越大，轉杯內兩股渦流強度差異越大。工況a時，兩股反向渦流邊界在轉杯中心處，凝聚槽處氣流速度最大值為47 m/s;工況b時右側渦流范圍減小，凝聚槽最大速度為56 m/s;工況c時渦流邊界靠近凝聚槽，氣流速度最大值為68 m/s。Y值越小，輸棉通道出口與凝聚槽的距離越小，氣流從輸棉通道出口經過轉杯壁面，氣流轉移至凝聚槽的過程中能量損耗越少。工況a、b時，氣流從輸棉通道出口向轉杯轉移的過程中與轉杯壁面接觸，氣流運動至凝聚槽時速度減小;工況c時，氣流由輸棉通道出口直接進入轉杯，凝聚槽處氣流速度最大。

3.2 纖維運動分析

忽略纖維自身的質量及纖維與纖維之間、纖維與轉杯壁面的相互作用力，假定纖維是從輸棉通道入口自由釋放的運動粒子，運用纖維-氣流兩相流模型模擬轉杯紡紗器中纖維的運動狀態，擬合纖維在轉杯紡紗通道的運動曲線。

圖9表示纖維進入輸棉通道入口的位置。在三種工況的輸棉通道入口平面上選取三個位置，分別為靠近輸棉通道上壁面的位置Ⅰ，輸棉通道中心處的位置Ⅱ，靠近輸棉通道下壁面的位置Ⅲ。

圖10—圖12分別表示各工況時不同位置的纖維在紡紗通道運動的軌跡。

工況a時，纖維流入轉杯時與轉杯壁面接觸的位置離轉杯出口較近，從圖10（a）可以看出，輸棉通道靠近壁面處的纖維運動的最大運動速度小于90.68 m/s，纖維離開輸棉通道后受轉杯出口負壓的影響，從轉杯出口流出形成落棉;從圖10（b）可以看出，輸棉通道中心處的纖維運動速度最大值約120 m/s，纖維進入轉杯后沿著轉杯滑移面向凝聚槽處匯集;從圖10（c）可以看出，輸棉通道下壁面處的纖維運動速度最大值約為50 m/s，纖維與轉杯壁面碰撞后隨B-B面所示氣流沿穿過轉杯底部運動至轉杯180°（輸棉通道出口處為0°），并在凝聚槽內聚集。

工況b時，纖維從輸棉通道出口釋放，與轉杯壁面接觸后改變運動方向。從圖11（a）可以看出，纖維沿輸棉通道上壁面運動時的速度最大值小于29.15 m/s，纖維在轉杯內復雜渦流的帶動下橫穿過轉杯底部，進入凝聚槽;從圖11（b）（c）可以看出，輸棉通道中心處、運動速度最大值約為116 m/s的纖維與輸棉通道下壁面處、速度最大值低于29.15 m/s的纖維運動軌跡基本一致，纖維離開輸棉通道后沿逆時針方向由轉杯壁面向凝聚槽匯集。工況b時落棉較小。

工況c時，輸棉通道位置低，氣流直接將纖維引入凝聚槽，纖維頭端與凝聚槽碰撞，易產生前彎鉤。從圖12（a）可以看出，纖維沿輸棉通道上壁面運動時速度較小，纖維在輸棉通道內最大速度約為50 m/s，低速運動的纖維離開輸棉通道后速度增大，隨轉杯內渦流運動至凝聚槽;從圖12（b）可以看出，輸棉通道中心位置運動速度高達118 m/s的纖維離開輸棉通道后，沿順時針方向運動至在凝聚槽;從圖12（c）可以看出，纖維沿輸棉通道下壁面運動時速度小于50 m/s，纖維離開輸棉通道向轉杯凝聚槽處匯集后隨轉杯運動。

纖維在高速氣流帶動下從輸棉通道入口進入轉杯，由于輸棉通道采用漸進縮小式結構，輸棉通道內的壓強絕對值與氣流速度沿縮減方向逐漸增大，因此總體上纖維呈加速度運動，在輸棉通道出口處達到最大速度。輸棉通道同一截面處的纖維運動速度不同，靠近輸棉通道壁面的纖維比中心部分的運動速度明顯較慢;越靠近輸棉通道中心線，纖維速度越大。當纖維從輸棉通道出口向轉杯轉移時，速度慢的纖維易受轉杯內復雜渦狀氣流的干擾，在向轉杯凝聚槽運動的同時也隨渦流運動，形成彎鉤或者包纏纖維。

4 結 論

輸棉通道承擔了將纖維由分梳棍輸送到轉杯內的任務，其在紡紗器內的幾何位置對轉杯及輸棉通道內氣流場特征和纖維運動軌跡有重要的影響。本文通過Fluent軟件對抽氣式轉杯紡紗器進行三維模擬，分析了三種輸棉通道位置對轉杯紡紗器內氣流分布特點和纖維運動情況，得出如下結論：

1）三種工況下輸棉通道流場分布及速度分布規律基本一致。以工況a為例，氣流在輸棉通道加速運動，運動至出口處速度達到最大值。在輸棉通道與轉杯壁面交匯處有小面積的高壓區產生，有利于纖維流向轉杯。

2）工況b時，轉杯凝聚槽處壓強較大，有利于纖維在凝聚槽處匯集、凝聚成紗，紗線中纖維纏繞緊密。

3）工況a時，輸棉通道位置最高，輸棉通道內壓強和速度變化梯度最大，有利于纖維平行伸直，進入轉杯的纖維能較好匯集凝聚;纖維進入轉杯時離負壓出口較近，易受負壓影響，落棉量較大。

4）輸棉通道位置對轉杯內的渦狀氣流分布有一定的影響。工況c時，由于輸棉通道位置逐漸下降，轉杯內渦流差異越大，不利于轉杯轉動的穩定性，易導致轉杯震蕩、機械磨損，縮短轉杯壽命。

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