摘要 通過建立流體動力學模型，對多孔輥筒緊密紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)流場進行模擬，分析槽寬、內(nèi)膽負壓、導流塊對集聚區(qū)流場運動的影響。研究表明：多孔輥筒緊密紡紗系統(tǒng)是利用負壓效應來產(chǎn)生集聚氣流；內(nèi)膽空氣負壓小時，抽氣管出口速度大；吸風斜槽不同寬度和不同負壓對氣流集聚產(chǎn)生不同的集聚效果；緊密紡紗裝置有導流塊比無導流塊的集聚效果好。經(jīng)對比，數(shù)值模擬和實驗結果得到了比較一致的結論，為氣流聚集型紡紗裝置的應用提供了可靠的理論依據(jù)。
近年來，氣流聚集型紡紗裝置在紡織工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應用。緊密紡在減少毛羽的同時提高纖維在紗體中的利用系數(shù)，紗線有較好的物理機械性能，紗線強力高[1-5]。根據(jù)緊密紡對纖維須條不同的凝聚方式，將其裝置分為多孔網(wǎng)格皮圈式，打孔網(wǎng)格皮圈式，多孔輥筒式。國內(nèi)多位專家及學者[6-9]主要對網(wǎng)格圈緊密紡紗裝置集聚區(qū)氣流進行了研究，高金霞等[10]通過Matlab軟件對纖維在多孔輥筒緊密紡集聚區(qū)的運動軌跡進行了分析。本文選取多孔輥筒和輥筒內(nèi)帶長槽的異形截面緊密紡紗系統(tǒng)作為研究對象，分析槽寬、內(nèi)膽負壓、有無導流塊對多孔輥筒集聚區(qū)流場運動的影響，并與實驗對比，為多孔輥筒聚集型紡紗裝置的合理設計提供理論依據(jù)。
1、數(shù)值模擬
1.1 多孔輥筒緊密紡紗原理
圖1多孔輥筒緊密紡紗系統(tǒng)
圖1為多孔輥筒緊密紡紗系統(tǒng)圖。在細紗機羅拉軸上安裝一個直徑f40 mm的多孔輥筒，多孔輥筒表面分布了很多f0.8 mm的微小通孔，內(nèi)部裝有一個抽氣系統(tǒng)，通過內(nèi)部抽氣使輥筒表面產(chǎn)生一定負壓。當纖維束到達前羅拉軸和輥筒之間微小間隙區(qū)域時，在多孔輥筒表面負壓作用下，纖維束將被吸附到輥筒表面并隨輥筒運動。由于輥筒表面線速度高于前羅拉表面線速度，纖維束將被進一步牽伸和伸直，同時在此運動過程中纖維束的寬度將在多孔輥筒表面凝聚負壓作用下被收縮，從而可基本上消除加捻三角區(qū)。纖維束在離開輥筒和下皮輥握持線后被加捻，形成紗線。
1.2 數(shù)值計算
根據(jù)Re=VdH/V（V為截面平均速度，dH為水力直徑，v為流體運動黏度），計算所得雷諾數(shù)20000-50000，所以該流動是湍流。氣流聚集型紡紗裝置實際工作氣流狀態(tài)比較復雜，在研究中做了一定的簡化假設：不考慮熱交換，采用靜邊壓，假設羅拉靜止不動，只研究單向耦合問題[11]。根據(jù)M=V/C（c為音速），算得馬赫數(shù)，所以該流場處于亞音速流動狀態(tài)，采用密度加權的平均方程和雷諾應力模式相結合，可以較好地預測可壓縮湍流平均運動。
根據(jù)多孔輥筒聚集型紡紗系統(tǒng)氣流區(qū)特征，在gambit中建立氣流區(qū)簡化圖，見圖2。建立模型時，所取單元類型為FLUID5/6。本文在氣流區(qū)采用網(wǎng)格單元是Tet/Hybrid，假定內(nèi)管壁光滑，氣體對管壁沖擊影響不計，常溫常壓，斜槽傾角為12°。
圖2流場模擬區(qū)域
在邊界條件設置時，考慮到多孔輥筒表面是流場的進口，且流量和速度未知，因此采用壓力進口邊界條件，入口壓強為1.01325×105 Pa；抽氣管出口為壓力出口。
由于上式中雷諾應力式為不封閉項，針對氣流聚集型紡紗裝置氣流區(qū)特征，選取k -ε方程湍流模型來完成控制方程的封閉。封閉方程如下：
式中是常數(shù)，摩擦系數(shù) 
是壁面剪應力的特征量。 
控制方程的離散采用一階迎風格式：
目前算法主要有SIMPLE，SIMPLER，SIMPLEC，PISO等，但SIMPLE不僅適用于交錯網(wǎng)格，還可用于可壓縮流場和非結構網(wǎng)格的數(shù)值計算，故本文選用SIMPLE算法。
2、結果與分析
2.1 內(nèi)膽負壓對氣流的影響
內(nèi)膽空氣負壓小時，抽氣管出口速度大。當槽寬為2.5 mm，出口速度分別為5m3/h，7m3/h，9m3/h時，多孔輥筒XZ面的氣流速度分布見圖3。
吸風斜槽S1端（Z=17.5mm～20.0mm）為纖維須條輸出端。由圖3(a)可以看出，出口速度較小時，斜槽S1端氣流集聚效果不好；隨著速度增加，氣流的吸附作用加強，斜槽中心線兩邊因氣流流動產(chǎn)生橫向氣流力，吸風斜槽右側(cè)的速度分量大于左側(cè)，右側(cè)的氣流沿著斜槽方向有向左側(cè)運動的趨勢，使得纖維集聚到斜槽S1端，集聚效果較好且基本消除加捻三角區(qū)，見圖3(b)；但當氣流速度過大時，纖維被吸附在滾筒表面，摩擦力大，且耗電量大，同時增加了紡紗成本，集聚效果并無明顯改善，見圖3(c)。
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