摘要 通過建立流體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)多孔輥筒緊密紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析槽寬、內(nèi)膽負(fù)壓、導(dǎo)流塊對(duì)集聚區(qū)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的影響。研究表明：多孔輥筒緊密紡紗系統(tǒng)是利用負(fù)壓效應(yīng)來產(chǎn)生集聚氣流；內(nèi)膽空氣負(fù)壓小時(shí)，抽氣管出口速度大；吸風(fēng)斜槽不同寬度和不同負(fù)壓對(duì)氣流集聚產(chǎn)生不同的集聚效果；緊密紡紗裝置有導(dǎo)流塊比無導(dǎo)流塊的集聚效果好。經(jīng)對(duì)比，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了比較一致的結(jié)論，為氣流聚集型紡紗裝置的應(yīng)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(yīng)用。緊密紡在減少毛羽的同時(shí)提高纖維在紗體中的利用系數(shù)，紗線有較好的物理機(jī)械性能，紗線強(qiáng)力高[1-5]。根據(jù)緊密紡對(duì)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(guó)內(nèi)多位專家及學(xué)者[6-9]主要對(duì)網(wǎng)格圈緊密紡紗裝置集聚區(qū)氣流進(jìn)行了研究，高金霞等[10]通過Matlab軟件對(duì)纖維在多孔輥筒緊密紡集聚區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析。本文選取多孔輥筒和輥筒內(nèi)帶長(zhǎng)槽的異形截面緊密紡紗系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析槽寬、內(nèi)膽負(fù)壓、有無導(dǎo)流塊對(duì)多孔輥筒集聚區(qū)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的影響，并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，為多孔輥筒聚集型紡紗裝置的合理設(shè)計(jì)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(xì)紗機(jī)羅拉軸上安裝一個(gè)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(gè)抽氣系統(tǒng)，通過內(nèi)部抽氣使輥筒表面產(chǎn)生一定負(fù)壓。當(dāng)纖維束到達(dá)前羅拉軸和輥筒之間微小間隙區(qū)域時(shí)，在多孔輥筒表面負(fù)壓作用下，纖維束將被吸附到輥筒表面并隨輥筒運(yùn)動(dòng)。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(jìn)一步牽伸和伸直，同時(shí)在此運(yùn)動(dòng)過程中纖維束的寬度將在多孔輥筒表面凝聚負(fù)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(jì)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(yùn)動(dòng)黏度），計(jì)算所得雷諾數(shù)20000-50000，所以該流動(dòng)是湍流。氣流聚集型紡紗裝置實(shí)際工作氣流狀態(tài)比較復(fù)雜，在研究中做了一定的簡(jiǎn)化假設(shè)：不考慮熱交換，采用靜邊壓，假設(shè)羅拉靜止不動(dòng)，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(chǎng)處于亞音速流動(dòng)狀態(tài)，采用密度加權(quán)的平均方程和雷諾應(yīng)力模式相結(jié)合，可以較好地預(yù)測(cè)可壓縮湍流平均運(yùn)動(dòng)。
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(jiǎn)化圖，見圖2。建立模型時(shí)，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(duì)管壁沖擊影響不計(jì)，常溫常壓，斜槽傾角為12°。
圖2流場(chǎng)模擬區(qū)域
在邊界條件設(shè)置時(shí)，考慮到多孔輥筒表面是流場(chǎng)的進(jìn)口，且流量和速度未知，因此采用壓力進(jìn)口邊界條件，入口壓強(qiáng)為1.01325×105 Pa；抽氣管出口為壓力出口。
由于上式中雷諾應(yīng)力式為不封閉項(xiàng)，針對(duì)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(yīng)力的特征量。 
控制方程的離散采用一階迎風(fēng)格式：
目前算法主要有SIMPLE，SIMPLER，SIMPLEC，PISO等，但SIMPLE不僅適用于交錯(cuò)網(wǎng)格，還可用于可壓縮流場(chǎng)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算，故本文選用SIMPLE算法。
2、結(jié)果與分析
2.1 內(nèi)膽負(fù)壓對(duì)氣流的影響
內(nèi)膽空氣負(fù)壓小時(shí)，抽氣管出口速度大。當(dāng)槽寬為2.5 mm，出口速度分別為5m3/h，7m3/h，9m3/h時(shí)，多孔輥筒XZ面的氣流速度分布見圖3。
吸風(fēng)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(shí)，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(qiáng)，斜槽中心線兩邊因氣流流動(dòng)產(chǎn)生橫向氣流力，吸風(fēng)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(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，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(dāng)氣流速度過大時(shí)，纖維被吸附在滾筒表面，摩擦力大，且耗電量大，同時(shí)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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