不同壓強條件下環錠旋流噴嘴內部流場模擬

初 曦， 邱 華

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學 紡織科學與工程學院， 江蘇 無錫 214122)

環錠紡是被廣泛使用的傳統紡紗方法[1-2]，其紡紗三角區的存在，使得成紗表面產生大量的毛羽，影響了成紗質量及后道工序的效率。

旋流噴嘴[3]是能夠有效減少細紗表面長度大于3 mm毛羽的裝置，并且可直接安裝在細紗機上。旋流噴嘴的原理是將儲氣罐內的壓縮空氣通入氣道，產生在紗道中旋轉的渦流，使纖維束輕微解捻再加捻，改善內外纖維轉移情況。由于旋流噴嘴的紗道具有一定長度，可起到集束的作用，具有安裝難度小，使用方便，更換成本低的優點，較為實際。作為一種自主知識產權的旋流噴嘴，在減少細紗的毛羽，提高紗線的質量，增加紡織品的利潤方面有較為廣闊的前景，可用于探索旋流對紡紗纖維集合體作用的耦合模型。

流體模擬技術相比傳統方法具有可提高研究效率、縮短實驗時間周期、擴大模擬條件范圍、節約成本、實驗數據計算精準等優勢，已被國內外學者廣泛應用[4-5]。為改善成紗質量，國內外均有針對纖維在氣流場中的運動、旋流與纖維集合體耦合作用的相關內容開展基礎研究。有研究對旋流噴嘴的最優工藝配置[6-8]、纖維在旋流器內部的運動[9-10]進行了實驗探討。紡織裝備中纖維與氣流相互耦合運動的研究，有利于氣體動力型紡織裝備的改進，從而提升紡織材料的質量。本文利用STAR-CCM+等商業計算流體力學軟件，建立噴嘴模型，模擬不同入口壓強條件下噴嘴的內部流場及其壓力場、速度場的變化，有利于進一步研究旋流噴嘴內氣流對紗體和纖維的作用機制。

1 流場的數值模擬

1.1 模型建立

旋流噴嘴的結構如圖1所示。氣道的一端與紗道相交，二者在相交處順時針相切，紗道總長度(a+b)為21 mm，直徑為2 mm。氣道長度為5 mm，氣道直徑為1.4 mm，氣道在紗道上的位置見圖1，圖中a=7 mm，b=14 mm。

圖1 旋流噴嘴結構示意圖Fig.1 Structure diagram of swirl nozzle

1.2 基本控制方程

壓縮空氣由氣道進入旋流噴嘴，氣體的密度為非常數，所以類型為可壓縮；紗道內高速氣流的雷諾系數為107數量級，所以視為湍流。湍流在流體運動中遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒等定律，使用STAR-CCM+求解器計算的控制方程如下[11-12]：

1)連續方程

2)動量方程

3)能量方程

式中：ρ為流體密度， kg/m3；t為時間， s；u、v和w為流體速度在x、y和z方向的速度， m/s；ui、uj分別為流速沿i和j方向的分量， m/s；p為靜壓力， Pa；τij為黏性應力矢量的分量， Pa；gi為重力加速度在i方向的分量， m/s2；Fi為由于阻力和能源引起的其他能源項， J；h為焓， J/kg；T為氣體溫度， K；Sh為定義的體積熱源， W/m3；k為分子傳導率；kt為湍流傳遞引起的傳導率，在模擬中由使用的湍流模型確定，由軟件的分離式求解器求解xi。

1.3 網格的生成與物理模型的選擇

選用定常非結構化切割體網格的劃分方法，視為不可壓縮流[13]。在貼近壁面處的邊界層網格選擇膨脹層網格。網格數量為315 441，圖2示出生成的體網格圖。

圖2 生成的體網格圖Fig.2 Volume grid diagram of swirl nozzle

1.4 邊界條件設置

在旋流噴嘴中，邊界包括紗道入口、紗道出口和氣道入口，氣道入口處的氣體壓強由儲壓罐噴出的氣流決定，儲壓罐內的壓強范圍為0.005～0.25 MPa[14-15]，噴嘴截面為正圓形，且尺寸較小，容積遠遠大于噴孔面積，所以紗道內氣流只取決于入口處氣體壓強；出口壓力與外界大氣環境壓力相同，為0.101 3 MPa；高速氣流在紗道內流動的過程進行的很快，因此雖然管道內壁不是絕對理想光滑，也可將流體在旋流噴嘴內的運動視為是絕熱無摩擦的運動。根據理想氣體狀態方程pV=ρRT，推算出氣道入口溫度為244.069 K，式中：V為氣體體積， L；R為氣體常數， 數值為287.1 J/(kg·K)。

2 結果分析

2.1 氣體流場分布

2.1.1 速度場

首先設氣道入口壓強為0.2 MPa，得到的速度流線圖如圖3所示。由圖可看出，空氣從氣道進入紗道，呈現不規則螺旋運動，在紗道壁面形成沖擊向上回流并以渦流形式向兩邊流出。

圖3 旋流噴嘴內部氣流速度跡線圖Fig.3 Trace diagram of airspeed in swirl nozzle

圖4示出分別在紗道入口與紗道出口處得到的速度跡線圖，從紗道入口的方向看，兩部分氣流均呈順時針旋轉，所以紗道入口處的氣流可解捻開松紗體，而在紗線通過氣道后則會實現長毛羽重新包裹回紗體，以及一些有害毛羽的脫離。近壁面處氣流的分布較密集且速度始終大于紗道中心附近，有利于對紗線的包裹作用。

圖4 旋流噴嘴紗道入口和出口處速度跡線圖Fig.4 Velocity trace at inlet (a) and exit (b) of swirl nozzle

圖5示出噴嘴內部氣流的速度矢量圖，在氣道入口處速度矢量較密集，越接近出口越稀疏，氣流速度也逐漸降低。可以看到少量速度較低的氣流在紗道軸線附近運動，其旋轉效應較差。

圖5 旋流噴嘴內部氣流速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution in swirl nozzle

氣流的速度沿坐標軸方向可分為沿x、y、z的3個軸向速度，x軸向速度主要起傳遞紗線、開松紗體的作用，其他兩向速度起包裹紗線表面長毛羽的作用。圖6示出紗道內各向軸線上的氣流速度分布，3個速度分量大小均在x=0兩側呈對稱分布。

圖6 旋流噴嘴軸線上氣流的三向速度分布Fig.6 Three dimensional velocity distribution of air flow on the axis of swirl nozzle

對x軸向速度來說，氣流剛進入時速度接近零，然后隨著氣流向兩邊運動，速度先是迅速增大，然后產生小幅度波動，之后逐漸趨于平穩。對于y軸向速度來說，在氣流入口處速度在負方向達到最大，隨后逐漸回升為正向速度，隨著氣流的進一步擴散，氣流速度大幅度波動。z軸向速度在氣流入口處速度接近零，隨后氣流波動幅度與y軸向速度相近，也正是因為這兩向速度的波動產生速度差，帶動纖維末端包裹在紗體上。

2.1.2 壓強場

圖7示出旋流噴嘴內部xy平面范圍內的氣流壓強分布圖。氣道入口和其正對的紗道下壁面處氣流壓強最大，而在下壁面上方出現明顯的負壓區。之后氣體以渦流狀向兩邊流出，噴嘴壁面附近氣壓高，靠近紗道軸線附近氣壓相對較低。

圖7 xy平面范圍內的氣流壓強分布Fig.7 Distribution of air pressure in xy plane

2.2 不同噴嘴入口壓強對流場分布影響

2.2.1 流場云圖對比分析

本文主要選取了0.10、0.15、0.20、0.25 MPa 4種氣道入口壓強大小，通過改變入口壓強條件來模擬不同壓強條件下噴嘴內部紗線理想位置處流場分布情況，截取了x=-14、-12.1、-10.2、-8.3、-6.4、-4.5、-2.6、-0.7、0、0.7、2.8、4.9、7 mm處的速度、壓力分布圖。

圖8為0.10、0.15、0.20、0.25 MPa 4種壓強條件下，yz面上的z軸、y軸方向的速度流場示意對比圖。

圖8 yz截面速度于z方向(a)和y方向(b)分布圖Fig.8 Distribution of velocity in z direction(a) andy direction(b) of yz section

由圖中z方向的速度流場示意對比圖得出，當入口壓強為0.10 MPa時，z軸正向的速度分布區域明顯大于其余3種條件下的分布，因此，當氣流在紗道內運動時，氣體整體對紗線的開松包裹作用并未達到最佳效果。由y方向的速度流場示意對比圖得，向下的氣流高速運動，在接觸下壁面后速度驟降，高速區域范圍隨著氣流離開噴氣入口而逐漸增大。當入口壓強等于0.20 MPa和0.25 MPa時，x=-4.5 mm和x=4.9 mm處的y軸速度分布差異相對較大，所以入口壓強增大，對纖維束的包裹作用也更強烈。

圖9為氣道入口壓強在0.10、0.15、0.20和0.25 MPa條件下紗道yz截面壓力場分布對比示意圖。

圖9 yz截面壓力場云圖Fig.9 Cloud chart of pressure field of yz section

由圖可以看出，在進氣口處與氣道入口正對的紗道下壁的氣流壓強為最大，氣道處的低壓、負壓區約占紗道截面的三分之一，隨后高壓區存在沿著順時針的方向向紗道兩端移動的趨勢，同高壓氣流的旋轉情況相同。且因為有紗道壁面與紗線的摩擦效應等影響，以氣道入口中心線為對稱軸的左右兩側各位置壓強分布并不同，表示氣流的運動軌跡不是標準的螺旋狀，入口壓強越大，高低壓分布情況就越明顯。隨著入口壓強的增大，紗線表面的壓強分布趨勢并無明顯不同，只是壓強大小隨入口壓強值的增大而增大，在高壓強條件下，高壓區與低壓區的壓強值均更高，這表明入口壓強大小對紗線表面受力的分布并無明顯影響，只是作用力大小不同。

2.2.2 氣流壓強分析

據流體運動特性可得紗線在紗道內部向前行進，不會隨著流體運動而運動，紗線在噴嘴中的存在面積約占0.68%，紗線對流場的影響效果并不明顯，氣流會對紗線表面的毛羽進行一定程度的推動，紗線內部基本不會受氣流影響，因此，為探究氣流對紗線表面的引導作用，模擬選取代表紗線表面上下左右的4條線來研究紗線表面氣流分布特點，4條線分別標記為：直線a，x=-0.007～0.014，y=0.000 085，z=0；直線b，x=-0.007～0.014，y=-0.000 085，z=0；直線c，x=-0.007～0.014，y=0，z=0.000 085；直線d，x=-0.007～0.014，y=0，z=-0.000 085。使用ANSYS軟件得到不同壓強條件下4條直線上的氣流壓強分布如圖10所示。

圖10 不同壓強條件下4條直線上的壓強分布Fig.10 Pressure distribution on four straight lines under different pressure conditions. (a) Line a; (b) Line b; (c) Line c; (d) Line d

對于直線a，氣流從氣道進入紗道的瞬間壓強最大，之后氣流撞擊壁面分成兩部分旋流分別向兩邊出口運動。直線b上的氣流壓強波動幅度隨入口壓強的增大而增大，有利于毛羽的包裹，因為高壓區氣流會推動毛羽向低壓區域運動。直線c和d位于紗線兩側呈對稱分布，因此變化趨勢相似，在氣道入口處產生較高的負壓，隨后壓強逐漸趨于零。入口壓強越大，紗線表面氣流壓強的波動幅度稍有增大。

3 紡紗實驗

3.1 實驗原料與設備及紗線性能測試條件

原料為定量4.95 g/(10 m)的純棉粗紗，要紡的細紗產品捻系數為400，線密度為20 tex，Z捻紗。細紗機錠速設為9 000 r/min。入口壓強范圍為0.05～0.25 MPa，選擇0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 MPa 5組壓強值作為紡紗實驗條件對比組，保持其他變量不變。使用的實驗設備為江陰市昶振紡織機械有限公司CZJF-5型全自動多功能細紗打樣機、上海捷豹壓縮機制造有限公司丹崖分公司E2292型空壓機、上海市奉賢設備容器廠MC146型儲氣罐、STNC索諾天工ATC-2000型調壓閥。紗線的毛羽測試：使用YG172 A型長嶺紗線毛羽測試儀，參考FZ/T 01086—2020《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數法》測量紗線的毛羽指數。設置測試速度為30 m/min，片段長度為10 m，實驗次數為每管10次，實驗管數為5管。

3.2 結果與討論

得出的毛羽指數實驗數據對比如圖11所示。

圖11 環錠旋流紡與環錠紡毛羽指數對比圖Fig.11 Comparison of hairiness index between ring swirl spinning and ring spinning

對于純棉紗線，旋流噴嘴能極大程度地發揮其減羽效果，毛羽指數大約減少了一半，對于入口壓強值由低至高條件下紡出的紗線來說，其毛羽指數也呈現減小至最低再升高的趨勢，因為過大的氣流壓強會吹開纖維條，更多的纖維頭端會脫離紗體，并且過大的氣流會造成更多纖維的流失。當入口壓強為0.2 MPa時，毛羽指數達到最低，這也體現出設置過大、過小的旋流噴嘴入口壓強最終紡成的紗線減羽效果均未能達到理想程度，0.2 MPa對于此種類型純棉紗線來說即為最優工藝參數，在0.2 MPa的入口壓強條件下，氣流將紗線內的毛羽重新包裹回紗體中。

4 結 論

通過使用STAR-CCM+與ANSYS軟件對旋流噴嘴進行建模與數值模擬分析，進一步得到并比較了紗道內的氣流速度場與壓力場的對比數據，針對旋流噴嘴的減羽機制與氣流作用的關系，得出以下結論。

紗道內氣流速度跡線表明：空氣通入氣道入口，以旋流狀向兩端噴出，以氣道為軸線，紗道中氣流速度的分布基本呈對稱形式。因此，對于Z捻紗，逆紗線運動方向的氣流在紗道中可開松紗體，而在紗線通過氣道后則會因為氣流旋向的改變而消除，在這一過程中實現了長毛羽重新包裹回紗體，以及一些有害毛羽的脫離。

通過觀察截面z、y軸速度分布圖，可看出在紗道中心軸線處的氣流速度一般小于紗道壁面附近的氣流速度，這有利于紗線在紗道中的正常行進，避免不必要的損失；觀察不同壓強條件下紗道yz截面壓力場分布對比示意圖，可看出氣道處的低壓、負壓區約占紗道截面的三分之一，隨后高壓區向紗道入口沿順時針方向移動，向紗道出口沿逆時針方向移動，同高壓氣流的旋轉情況相同。入口壓強越大，高低壓分布情況越明顯，過大或過小的旋流噴嘴入口壓強都未能達到最佳減羽效果。