基于Fluent 的三維和二維集聚紡流場模擬與分析

唐新軍 李 菁 曹吉強

（1.新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830023；2.新疆大學，新疆烏魯木齊，830017）

集聚紡紗技術可紡制高品質紗線，目前國際上主要有立達（Rieter）、緒森（Sussen）、豐田（Toyota）、青澤（Zinser）這4 種不同結構的氣流式集聚紡紗系統[1］，其集聚原理基本相同，是將牽伸后的纖維須條吸附到集聚區表面，主要在二維（2D）平面上達到集聚效果。近幾年立達公司又推出了新一代三維（3D）集聚紡技術，是在空間多個方向上對纖維進行集聚。新一代的網格圈式3D 集聚紡技術表現卓越，成紗強度提高0.5 cN/tex~1 cN/tex，常發性紗疵減少20%，節能達60%，運營成本節省達10%，該技術具有很好的發展前景。目前對于2D 集聚紡技術的研究較多[2-6］，而對3D 集聚紡技術的研究較少，對其機理進行研究具有重大意義。通過參考立達公司官方網站，收集最新產品資料，本研究通過對圖片進行處理，進一步反推設備集聚區的結構，對結構進行建模對比，分析兩代集聚紡結構上的差異。同時，通過Fluent 軟件對四羅拉集聚紡系統集聚區的氣流進行數值仿真模擬，得到2D 集聚紡和3D 集聚紡集聚區的氣流運動特性和規律，對關鍵特征面和特征線進行分析，希望為設計更加高效的集聚紡系統提供理論依據。

1 3D 集聚紡技術

近幾年立達公司推出的3 款集聚紡裝置拆卸簡便，可與環錠細紗機輕松配合使用，分別是提高強力的COMPACTapron、減少毛羽的COMPACTdrum、可橫動的機械式集聚紡COMPACTeasy[7］。COMPACTapron 是 在2019 年 歐 洲 國際紡織機械展覽會（ITMA2019）上作為未來網格圈集聚概念展出，它是立達子公司緒森推出的第二代網格圈集聚解決方案，其采用全新3D 集聚紡技術，巧妙地引導纖維通過集聚區并達到更好的集聚效果[8］。3D 集聚紡紗技術不僅有效提高了紗線強力，而且具有高度的靈活性，能適用于多種機器、不同原料的紡紗，安裝和拆卸過程快速便捷；耗能低、使用備件減少、維護成本降低，從而降低運營成本；提升了原料制成率，例如通過降低捻度提升產量、調整混紡比、簡化后道工序等方法，提高企業利潤。

研發COMPACTapron 的最初目的是改善負壓式集聚紡的集聚原理，從而降低能耗。主流的負壓式集聚紡技術基本都是2D 集聚方式，即在網格圈、多孔膠圈或多孔吸風鼓等集聚元件表面上實現纖維的集聚。但由于纖維被吸附在集聚元件的表面，纖維實際接觸的氣流較少，吸附氣流無法得到有效利用。COMPACTapron 改變了傳統的吸附集聚方式，集聚區兩鉗口之間的距離極大地減小，當纖維進入集聚區時，纖維始終與網格圈保持一定距離，使纖維最大化暴露在氣流中，確保所有纖維都能得到有效集聚，以起到3D 集聚效果，有效提高成紗強力。

根據COMPACTapron 的特點，立達公司進行了系統的專利布局，在紡紗機結構、吸風槽尺寸、連接件的設定等方面做了一系列設計方案，主要特點為：優化的纖維運動軌跡，在膠輥下方距離網格圈一定距離的位置進行集聚；小鉗口間距，為12 mm~20 mm[9］；小集聚空間，是由異形吸風管、輸出膠輥及羅拉組成的簡易空間；短吸風槽長度，槽寬0.3 mm~3.0 mm，槽長小于10 mm，也有資料 顯 示 在2.0 mm~5.0 mm[10-11］；優 化 的 連 接 方式，方便異形吸風管的調節安裝，以同時保證氣流的流暢[12-13］。

2 集聚區結構模擬分析

由于3D 集聚紡技術未廣泛應用，無法根據實物建模，故采用圖片反推模型的方法，用Solid-Works 軟件繪制出集聚區三維模型，并對模型進行部分簡化。2D 集聚區的建模參考緒森傳統四羅拉網格圈式集聚紡裝置，3D 集聚區的建模參考COMPACTapron 集聚紡裝置。

2.1 傳統2D 集聚區

傳統2D 集聚區結構示意如圖1 所示，主要由前膠輥、前羅拉、輸出膠輥、異形吸風管以及網格圈等組成，異形吸風管上開有一定傾斜角度的吸風槽，網格圈套在異形吸風管上。傳動方式是利用前羅拉摩擦帶動前膠輥，前膠輥和輸出膠輥通過齒輪機構傳動，輸出膠輥摩擦帶動網格圈運動。工作時異形吸風管內產生負壓，通過吸風槽、網格圈作用在纖維上，達到集聚纖維的目的；纖維通過前羅拉和前膠輥后進入集聚區，在氣流作用下吸附在網格圈上并產生一定的集聚，隨著網格圈向輸出鉗口運動。

圖1 2D 集聚區示意圖

羅拉直徑為27 mm，其他基本結構和具體參數參考宣傳圖片反向推導，完成模型的建立。推測影響集聚作用的關鍵指標，2D 集聚區吸風槽的長度約為20 mm，前膠輥到輸出膠輥的鉗口間距約為32 mm。為方便后續模型的流程分析，吸風槽設置為22 mm×1.2 mm 的直槽。

2.2 新型3D 集聚區結構

新型3D 集聚區結構示意如圖2 所示，主要包含輸出膠輥、輸出羅拉、異形吸風管以及網格圈等，異形吸風管上開有吸風槽，網格圈套在異形吸風管上。3D 集聚區比2D 集聚區少1 個膠輥，輸出膠輥的尺寸增大。傳動方式是利用輸出羅拉摩擦帶動輸出膠輥，輸出膠輥通過摩擦力帶動網格圈運動。3D 和2D 集聚區都是通過氣流集聚，但由于3D 集聚區的間距較小，纖維處于一定張力作用下，未被吸附在網格圈上，是在網格圈上方一定距離完成集聚，最后通過輸出膠輥和網格圈形成的鉗口輸出。

圖2 3D 集聚區示意圖

參考COMPACTapron 集聚紡資料及相關專利，進行圖片反向推導，建立3D 集聚區流場模型。推測影響集聚作用的幾個關鍵指標，3D 集聚區吸風槽的長度約為5.5 mm，集聚區鉗口間距約為13 mm，約為2D 集聚區的2/5。為方便后續模型的流場對比分析，將吸風槽設置為5.5 mm×1.2 mm的直槽。比傳統的2D 集聚區集聚槽長度縮短3/4，集聚區的氣流作用空間明顯減小。

3 流場模擬分析

3.1 集聚區流場模型的建立及參數設定

3.1.1 集聚區流場模型的建立

基于圖片模擬出的2D 集聚區和3D 集聚區模型，進行抽取得到2D 和3D 集聚區流場模型，如圖3 所示。選取吸風槽前端頂點作為原點，其中X軸與前羅拉軸線重合，右側為正方向；Y軸與槽口方向重合，槽前向槽后為正方向；Z軸與槽口面垂直，Z軸向上為正方向。

圖3 集聚區流場模型示意圖

3.1.2 特征線、特征面的建立

為更好地分析對比2D 集聚區和3D 集聚區流場的變化，在兩個集聚區的流場模型中分別建立4 個特征面，如圖4 所示。特征面1 在槽口的豎直方向的中間位置，正好是YZ平面，簡寫成z；特征面2、3、4 是垂直于槽口的面，分別對應槽口的前端（集聚快結束）、中間、后端（集聚剛開始），簡寫為cq、cz、ch。

圖4 特征面示意圖

為更清晰地觀察纖維在集聚時受氣流作用的情況，在cq、cz、ch特征面中分別建立如圖5 所示的3 條基準線，分別命名為槽前線、槽中線、槽后線，記為cqx、czx、chx，這3 條特征線和X軸平行，高度設定在纖維可能的運動位置點。2D 集聚區的纖維吸附在網格圈上，所以特征線選取在吸風槽略微偏上的位置。3D 集聚區的纖維未吸附到網格圈上，而是貼近輸出膠輥，所以特征線選取在距輸出膠輥下方一定距離的位置。

圖5 特征線示意圖

3.1.3 參數的設定

將繪制好的集聚區模型導入ANSYS 軟件中進行仿真模擬，網格劃分采用六面體網格，對流場面進行定義，如圖6 所示，紅色面是氣流入口，藍色面設置為墻體，異形吸風管未顯示一端設置為氣流出口。設定邊界條件，氣流入口為負壓入口，相對壓強統一設定成0 kPa；氣流出口為負壓出口，2D 集聚紡為-2.2 kPa，3D 集聚紡為-1.1 kPa（參考官方資料的能耗設定）。求解模型選擇k-epsilon模型，其他參數保持默認，進行數值模擬計算。

圖6 面參數設定示意圖

3.2 模擬結果分析

2D 集聚區和3D 集聚區都為負壓氣流作用在纖維上，進而達到纖維集聚的目的。這里主要針對幾個特征面和特征線的氣流速度以及X、Y、Z軸方向氣流速度分量進行模擬并對比分析。模型設計時，考慮消除網格圈和吸風槽的影響進行模型簡化，即網格圈未涉及，吸風槽設置成直槽。X軸方向氣流分量和羅拉軸線方向相同，主要對纖維產生橫向集聚的作用力；Y軸方向氣流分量沿著纖維輸送方向，對纖維有一定理順的作用；Z軸方向氣流分量同集聚面垂直的方向，對纖維產生向下集聚的力。

3.2.1 集聚區特征面氣流計算結果分析

建立4 個特征面的速度云圖，為方便對比2D和3D 集聚區的速度差異，單位均設定為m/s；云圖氣流速度梯度設置保持一致，均設置為5 m/s；云圖中由冷色調藍色到暖色調紅色的過程為速度逐漸增大。2D 和3D 集聚區特征面2、特征面3、特征面4 的寬度均為20 mm，基本按槽口對稱分布。

特征面1 的速度云圖如圖7 所示。速度云圖中2D 集聚區的最大速度在60 m/s~65 m/s，3D集聚區的最大速度在45 m/s~50 m/s，最大速度均集中在吸風槽的前后兩端。吸風槽上方的表面速度云圖顏色接近，2D 速度更高。可以看出，2D集聚區的氣流速度明顯比3D 集聚區大，推測主要原因之一是3D 集聚區的負壓減小了一半。但在集聚區中的流速接近，推測主要原因是3D 集聚區整體面積比2D 集聚區減小，而且入口變小。

圖7 特征面1 速度云圖

特征面2 的速度云圖如圖8 所示，其為吸風槽前端的斷面速度云圖。2D 和3D 集聚區最大速度約45 m/s~50 m/s，在吸風槽位置，2D 集聚區的較大氣流更加集中，3D 的吸風槽長度較短，選取的前端位置更靠近鉗口，而鉗口會對氣流產生一定干擾。在吸風槽上方的速度云圖顯示，2D 集聚區相比3D 集聚區的氣流具有更寬的作用區域。在異形吸風管內2D 集聚區相比3D 集聚區氣流作用區域更大，對氣流的利用率更低。

圖8 特征面2 速度云圖

特征面3 的速度云圖如圖9 所示，其為吸風槽中間的斷面速度云圖。2D 和3D 集聚區吸風槽中間的速度云圖和吸風槽前端相似。吸風槽上方的氣流云圖發生了較大變化，由于2D 集聚區上方還有一個氣流入口，導致高速區域集中到槽口位置，遠離槽口位置速度降低明顯。3D 集聚區吸風槽中間斷面位置距離鉗口一定距離，減少了鉗口區域的干擾，上方集聚空間依然很小，此時的氣流作用區域明顯增大，吸風槽兩側空間氣流速度降低較小，保證了較大的氣流作用范圍。

圖9 特征面3 速度云圖

特征面4 處的速度云圖如圖10 所示，其為吸風槽后端的斷面速度云圖。2D 集聚區在吸風槽口區域的氣流明顯增大，但是集聚槽上方的氣流速度只是集中在集聚槽中間位置，集聚槽中間斷面的氣流特點相似。3D 集聚區吸風槽口處的氣流和集聚槽中間斷面處相似，上方的集聚空間雖然有所增加，但是整個上方空間的氣流作用依然平穩，吸風槽兩側空間氣流速度降低較小。

通過幾個特征面氣流的對比，由于3D 集聚區出口的負壓氣流設定較低，2D 集聚區的整體氣流速度要大于3D 集聚區，在吸風槽中的流速較大，但是在吸風槽上方兩側的氣流速度降低較為明顯，無法有效利用集聚區兩側入口氣流。3D 集聚區由于集聚空間上方沒有氣流入口，并且空間較小，吸風槽兩端的氣流速度降低不明顯。

3.2.2 集聚區特征線氣流計算結果分析

建立3 個特征線上的X、Y、Z軸方向速度分量對比圖，cqx、czx、chx位置設定時考慮在纖維可能運動的軌跡點，以便分析不同方向氣流可能產生的作用效果。2D 集聚區的纖維由于吸附在網格圈上，這時Z軸方向作用力有助于纖維豎直方向的運動，但是不利于橫向運動；3D 集聚區的纖維由于處于鉗口之間，集聚空間比較小，纖維基本成張緊狀態，不與網格圈接觸，不會受到網格圈摩擦力的影響，氣流的直接作用效果更強。

集聚區X軸方向速度分量對比如圖11 所示，該速度分量主要起到纖維橫向集聚的作用。2D集聚區的cqx、czx、chx位置的X軸方向速度分量曲線相似，都是在吸風槽附近時速度達到最大值，遠離吸風槽速度逐漸降低，在吸風槽中間位置速度為0 m/s；其中槽前位置的速度整體高于槽中和槽后位置，由于槽前區域的吸風槽上方集聚空間較為狹窄，可以產生更大的X軸速度分量。3D集聚區的cqx、czx、chx位置的X軸速度分量曲線差異較大，cqx距離鉗口位置接近，基本貼附在網格圈上，所以與2D 集聚區的速度曲線基本相似。但遠離槽口位置的流速降低較快，czx和chx的曲線更加平緩，這兩條線的位置距離吸風槽口一定距離，貼近輸出膠輥，速度約為5 m/s，吸風槽口附近的氣流速度低于2D 集聚區，推測主要原因是纖維距離吸風槽口距離增加造成。

集聚區Y軸方向速度分量對比如圖12 所示，Y軸方向的速度分量是沿著纖維運動方向，在一定程度上可以達到一定的梳理順直的效果，利于纖維輸送。2D 集聚區的cqx、chx的Y軸方向速度分量曲線相似，槽口附近速度快，槽口遠端速度慢；czx由于其上方對應有另外一個氣流入口，此時該速度槽口附近的速度明顯降低，速度曲線槽口附近和遠端Y軸速度分量接近。3D 集聚區cqx、czx、chx的Y軸速度分量曲線相似，槽口附近速度大，遠端逐漸減小，受到集聚空間的影響，速度由大到小為吸風槽前端、中間、后端，在槽口附近有較為平穩的Y軸速度分量的氣流作用。

圖12 Y 軸速度分量對比

集聚區Z軸方向速度分量對比如圖13 所示，Z軸方向的速度分量是沿著纖維厚度方向，在2D集聚紡中的作用更加偏向于纖維的吸附，阻止纖維四散，增強聚集效果。在3D 集聚紡中的作用更加偏向形成一定的張力集聚作用。2D 集聚區的cqx、czx、chx的Z軸速度分量曲線規律基本一致，吸風槽中間位置速度最大，吸風槽附近有較大的速度，遠離吸風槽范圍速度明顯降低。其中czx上方有氣流入口，更加有利于Z軸速度分量的提高，其槽中心的速度比cqx和chx槽中心速度大，接近大1/3。3D 集聚區由于cqx、czx、chx的位置相對更加靠近輸出膠輥，Z軸速度分量整體明顯要比2D 集聚區的速度要小，特別是czx和chx在槽口位置的速度差異較大，槽口附近的速度降低明顯，不到cqx位置的1/3。

圖13 Z 軸速度分量對比

通過幾個特征線上不同方向速度分量的對比，從整體流速上看，2D 集聚區的X軸、Z軸速度分量在吸風槽周邊的速度明顯要高于3D 集聚區，3D 聚集區的X軸速度分量在czx、chx位置速度較為平穩，沒有較大變化。2D 集聚區的Y軸速度分量受到集聚區入口的影響，在槽前和槽中位置不如3D 集聚區的速度，特別是在槽中時，Y軸速度分量接近0 m/s。通過流場分析，3D 集聚區的速度分量并不高，不過氣流速度相對平穩，其中Y軸的氣流速度分量相比2D 集聚的速度分量更加統一，推測這是導致3D 集聚紡強力高的原因之一。

4 結論

結合官方介紹資料，基于計算機仿真模擬技術，對2D 集聚裝置和3D 集聚裝置結構進行建模，對比主要機構的結構差異，通過流場模擬分析集聚區內部流場的速度分布，得出以下結論。

（1）3D 集聚裝置與2D 集聚裝置相比結構明顯簡化，其將2D 集聚裝置的前膠輥和輸出膠輥組合簡化成一個超大的輸出膠輥，可降低損耗、減少維護保養成本。

（2）3D 集聚區鉗口間距較短，吸風槽產生的集聚力不能將纖維吸附到網格圈表面，而是形成張緊狀態，這改變了傳統2D 集聚區集聚纖維的運輸方式。

（3）3D 集聚區集聚空間明顯縮小，鉗口間距約為2D 集聚區的2/5，上方不再有氣流入口，集聚槽的長度明顯縮小，約為2D 集聚區吸風槽的1/4，極大地減少了氣流的作用空間。

（4）流場模擬結果中，3D 集聚區在負壓降低50%的條件下，整體流速相比2D 集聚區有所降低，但氣流速度更加一致。在纖維的可能集聚位置，X軸速度分量降低，但較為平穩，Y軸速度分量相對一致并保持穩定，Z軸速度分量降低明顯。

（5）3D 集聚裝置可以實現低能耗、高強力，推測主要是因為須條在一定張力條件下為三維集聚，并采用優化的集聚空間，使氣流利用率有效提高。3D 集聚裝置的設計思路為集聚紡系統提供了新的可能，有待進一步探索。由于模型繪制采用圖片反向推導的方式，部分數據不夠精準，后續可配合實物進行細化試驗。