氣流紡轉杯紡紗通道三維內流場數值模擬

摘要：針對抽氣式轉杯紡紗通道內部復雜氣流變化，文章以RNGk-ε湍流物理模型為支撐，構建基于ICEMCFD和FLUENT的非結構性單相穩態流體計算域。采用SIMPLE算法對紡紗通道內流場進行壓力-速度耦合求解，計算得到進出口質量流量差Δm=0.0014g/s，數值模擬滿足殘差收斂性條件。結果顯示：轉杯內腔壓力場梯度明顯，靜、動壓從杯體中心逐漸向凝聚槽邊緣增大;輸纖管道出口處存在湍流速度，滑移面和凝聚槽流域氣流速度（342～428.68m/s）相對較大;紡紗通道內部兩路氣流流線軌跡層界清晰、流向規律，流線特征符合壓力場和速度場分析預期，為高速轉杯流場特性及其紡紗機理研究提供了有力依據。

關鍵詞：紡紗;轉杯;湍流;殘差;凝聚槽;輸纖管道;FLUENT

中圖分類號：TS104.2;TH113

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2021）04003607

Abstract：Inviewofthecomplexairflowvariationinspinningchannelonair-extractionrotor，anunstructuredfluidcalculationdomainwithsinglephaseandsteadystatewasbuiltbyICEMCFDandFLUENTsoftware，basedonRNGk-εturbulencephysicalmodel.Thepressure-velocitycouplingoftheinternalflowfieldinthespinningchannelwassolvedthroughSIMPLEalgorithm，andthemassflowdifferencebetweeninletandoutletΔm=0.0014g/swasobtainedthroughcalculation.Thenumericalsimulationsatisfiedtheconvergenceconditionofresidual.Theresultsshowedthattherewasanobviouspressuregradientintherotor，andthestaticanddynamicpressuregraduallyincreasedfromcentralareaoftherotortotheedgeofcondensinggroove.Besides，therewasturbulencevelocityattheoutletoffiberpipeline，andtheairvelocity（342～428.68m/s）ontheslipsurfaceandflowareainthecondensinggroovewasrelativelyhigh.Thetrajectoryandboundaryoftwoairflowlinesinthespinningchannelwasclearandtheflowdirectionwasregular，thelinecharacteristicsconformedtotheanalysisexpectationofthepressurefieldandvelocityfield.Ourworkstronglysupportsresearchontheflowfieldcharacteristicsandspinningmechanismofhigh-speedrotor.

Keywords：spinning;rotor;turbulence;residual;condensinggroove;fiberpipeline;FLUENT

作者簡介：邱海飛（1983），男，副教授，主要從事機械系統動態設計、機電產品數字化設計與研發。

轉杯紡是通過氣流高速回轉來實現纖維束加捻成紗的一種新型紡紗技術。與傳統紡紗工藝（如環錠紡、非自由端紡紗等）不同，轉杯紡采用自由端加捻方式，其工作轉速已由最初的30000r/min提高至現階段的100000～200000r/min，纖維成紗速度一般在150～200m/min[1]，具有流程短、卷裝大、適應性廣及自動化程度高等特點，目前已被廣泛應用于棉、麻、毛、絲及化學纖維等領域。

在轉杯紡紗過程中，紡紗通道內部氣流壓力、速度及出入方式等會對成紗質量產生重要影響。由于轉杯長時間處于高速回轉狀態，而且輸纖管道和杯體內部的氣流復雜多變，所以實際工況下很難準確計算和測試紡紗通道氣流場特性[2]。近年來，隨著計算流體動力學（computationalfluiddynamics，CFD）的快速發展，基于CFD的先進數值模擬方法已被廣泛應用于諸多行業和工程領域[3]。借助CFX、FLUENT、STAR-CD、COMSOL等主流仿真工具，不僅能夠準確計算和分析復雜流場的物理特性，而且可在很大程度上降低流體問題的研究難度和試驗成本。本文將現代CFD技術應用于某型抽氣式轉杯，在FLUENT環境下實現了紡紗通道內部氣流場的構建和數值模擬，以期為高速自由端紡紗工藝研究提供有效手段和技術參考。

1 纖維成紗機理

轉杯紡將棉條纖維輸送至紡紗器后直接紡成筒子紗，省去了粗紗、絡筒兩道工序，簡化了紡紗工藝流程[4]。轉杯是氣流紡紗器的核心部件，按照杯內負壓產生方式可將其分為自排風式和抽氣式兩種。從結構性能方面來看，抽氣式轉杯具有直徑小、質量輕、轉速高等特點，相對于自排風式轉杯具有更強的先進性和適應性。

抽氣式轉杯紡紗系統主要由轉杯、轉杯蓋、假捻盤、輸纖管道等構成，氣流輸送系統共包括兩個入口和一個出口，紡紗器工作時需要配備一臺抽風機為氣流場提供負壓[5]，如圖1所示。其紡紗工藝原理為：首先利用高速回轉的分梳輥將喂入的棉條開松為纖維流，然后經氣流導引使單纖維從輸纖管道送入轉杯內部，并在杯體離心力和負壓作用下將纖維流在凝聚槽內凝聚成須條，同時通過轉杯高速回轉使須條導入假捻盤加捻成紗，最后由引紗羅拉將紗線從引紗管牽引而出形成筒子紗。

2 流體計算域模型

2.1 紡紗通道流域離散

以紡織行業國家標準FZ/T93053—2010《轉杯紡紗機轉杯》為依據，在某型抽氣式轉杯結構分析基礎之上，利用三維CAD軟件設計建立紡紗通道內流域幾何模型，并通過數據接口程序將其導入ICEMCFD構建流體計算域網格模型，如圖2所示。計算域系統坐標原點位于轉杯底面中心，轉杯直徑為36mm、高度為16mm、滑移面角度為22°、輸纖管道傾角為35°，凝聚槽類型為V型。

由于紡紗通道內流域結構較為復雜，故采用幾何適應性更好的非結構網格進行流域離散。相對于結構化網格，非結構化網格沒有固定的拓撲規則，具有更強的適應性和靈活性[6]。利用ICEMCFD四面體網格分別對轉杯、輸纖管道、假捻盤及轉杯蓋等進行結構離散，并在氣流出入口、凝聚槽及輸纖管道出口等區域進行局部網格細化處理，共計算生成四面體網格數量約186萬個。

2.2 邊界條件定義

抽氣式轉杯紡紗通道內部負壓由風機抽吸形成，為保證棉條纖維的順利輸送，要求輸纖管道中的氣流速度必須大于分梳輥產生的氣流速度[7]。在FLUENT環境下定義流場邊界條件：設置輸纖管道氣流入口為質量流量進口;引紗管氣流入口與大氣相通，設置為壓力進口，相對壓力為0Pa;設置活絡通道（氣流出口）為壓力出口，定義出口靜壓為-8500Pa。設置外部操作環境為一個標準大氣壓（101325Pa），重力加速度（-9.8m/s2）沿Y軸負方向。

輸纖管道入口流量質量計算方法如下式所示：

代入相關參數值計算，得出單位時間進入輸纖管道內的氣流質量m≈0.00178kg/s。根據抽氣式轉杯實際運轉工況，將紡紗通道流域外壁與轉杯內壁接觸區域設置為旋轉運動壁面，并定義相對轉速為115000r/min，旋轉方向沿Y軸軸向;設置紡紗通道流域內壁與輸纖管道、假捻盤及活絡通道接觸區域為無滑移靜止壁面[8]。在紡紗通道內流域與輸纖管道、假捻盤出口交界處設置過渡面，通過交界面處理將紡紗通道內流域分為三部分，即輸纖管道流域、轉杯內部流域和假捻盤中心孔流域。

3 數值模擬計算

3.1 RNGk-ε湍流方程

由于高速轉杯內部氣流處于可壓縮湍流狀態，故采用RNGk-ε湍流模型對紡紗通道氣流場進行模擬計算。湍動能k方程和耗散率ε方程如下式所示：

3.2 殘差計算

選用標準壁面函數，構建基于RNGk-ε湍流方程的紡紗通道單相穩態流場物理模型。在壓力-速度耦合求解模式基礎上，利用SIMPLE算法、二階迎風格式對紡紗通道內流場進行模擬計算。通過Hybrid方法對紡紗通道流場計算域及其邊界進行初始化處理，將迭代計算收斂殘差設置為0.001[10]，并在氣流進出口區域監測紡紗通道質量流量。

迭代求解完成后，獲得紡紗通道進出口質量流量差變化曲線，如圖3所示。分析可知，FLUENT經過380次迭代計算后，質量流量差曲線變化趨于穩定，說明進出口氣流滿足連續性方程（質量守恒方程）和動量守恒方程。

根據質量殘差收斂準則可知，當Δm<0.5%時，迭代計算過程收斂[11]。同時，流場速度、湍動能、耗散率等殘差項也都達到收斂要求，即殘差計算值<0.001。因此，紡紗通道內部流場數值模擬結果具有良好收斂性。

4 模擬結果分析

4.1 紡紗通道壓力場

紡紗通道氣流壓力的大小及分布直接影響著轉杯紡的成紗質量[12]。分析圖4可知，在輸纖管道垂直截面上，轉杯內部氣流場靜壓為負值，說明紡紗通道內負壓低于大氣壓，有利于外部氣流順利進入轉杯;靜壓從輸纖管道入口至出口不斷增大，并在氣流出口上方區域呈現旋渦狀高壓區，最大壓力約-10923Pa;相比之下，動壓分布較為均勻，但在靠近滑移面和凝聚槽區域存在明顯壓力梯度，動壓大小約在7000～24700Pa。

此外，其他流場區域的動壓相對較?。?3500Pa），且除輸纖管道出口區段外無明顯高壓區，可見轉杯內部流場動壓壓力差分布合理，有助于氣流流動和纖維輸送。

轉杯內流場另一特殊區域的壓力狀態如圖5所示。比較分析可知，轉杯軸心垂直截面和輸纖管道垂直截面上的壓力分布相似，尤其是在滑移面和凝聚槽流域，動壓和靜壓的梯度分布基本一致，但由于此截面區域氣流主要來自引紗管氣流入口，所以來流處的高壓區和壓力差稍有不同。

凝聚槽水平截面上的壓力分布狀態如圖6所示。比較分析可知，靜壓和動壓云圖均呈環形層狀分布，且各層氣流壓力平穩、邊界清晰，但是在正對輸纖管道出口處存在一定壓力波動。由于氣流黏性和高速轉杯離心力影響，使得靜壓和動壓從轉杯中心向凝聚槽邊緣逐漸增大[13]，即越靠近轉杯中心區域壓力越小，越靠近凝聚槽區域壓力越大，符合抽氣式轉杯紡紗工藝對于纖維凝聚氣流的分布要求。

4.2 紡紗通道速度場

通過速度矢量能夠準確表征紡紗通道內部氣流的大小及流向，如圖7所示。由圖7可清晰看到，轉杯內部氣流速度整體流向呈旋轉狀態。通過比較分析可知，流場外壁（即與滑移面和凝聚槽接觸區域）氣流速度明顯大于其他流域，氣流速度在342～428.68m/s。外部氣流從輸纖管道和假捻盤中心孔進入轉杯以后，氣流在發生旋轉流動的同時不斷向上方杯口區域流動，最后通過活絡通道出口流出轉杯。

利用CFD-POST后處理模塊對關心的局部流場速度進行矢量分析，分別為輸纖管道垂直截面、凝聚槽水平截面、轉杯軸心垂直截面，以及旋轉壁面和靜止壁面上的氣流速度矢量，如圖8所示。通過分析比較這些局部流場速度矢量圖，可更為深入地理解抽氣式轉杯紡紗通道內流場速度特性。例如，轉杯在高速轉動狀態下，纖維將按圖8（a）所示氣流方向從輸纖管道進入轉杯內部，然后在如圖8（b）（d）所示氣流帶動下從旋轉壁面滑移進入凝聚槽。與此同時，在杯內負壓作用下，外部氣流按圖8（c）所示速度方向進入轉杯補充杯內氣流。此外，在輸纖管道出口處存在明顯的湍流速度，如圖8（e）所示在靜止壁面來流交匯處流場氣流較為紊亂。

在凝聚槽水平截面上作截線A-A′，并提取A-A′路徑上的氣流速度變化曲線，如圖9、圖10所示。比較分析可知，氣流切向速度大于軸向速度，說明在凝聚槽水平截面上氣流以切向運動為主，而對于纖維的軸向牽移能力較弱，因此纖維束不會從凝聚槽滑落至轉杯底部[14]。氣流切向速度由內向外（即從a至A、a′至A′）逐漸增大，最大切向速度出現在凝聚槽內，即點A、A′處。根據離心力計算公式可知，氣流切向速度與離心力大小成正比，所以切向速度越大，氣流對纖維束的運輸、滑移和凝聚能力越強。

同樣，在輸纖管道垂直截面上作截線C-C′，如圖11、圖12所示。由圖11可清楚看到，從輸纖管道入口（C點）至出口（C′點），氣流速度共分為三個區段，并從入口處的0m/s逐漸增大至出口處的75m/s左右。遞增式氣流速度可使纖維在輸纖管道內部平直輸送，對于纖維束的滑移和凝聚具有積極作用。

4.3 紡紗通道流線軌跡

在纖維輸送和凝聚加捻過程中，氣流分別從輸纖管道和引紗管進入紡紗通道[15]，其運行流線軌跡如圖13所示。分析可知，在轉杯離心力和抽風機負壓作用下，進入轉杯內部的兩股氣流從下向上旋轉流動，且大部分氣流最后由活絡通道出口流出。氣流整體流線輪廓與旋轉壁面形狀相似，最外層流線圈的氣流旋轉流動速度相對較快，最大流速分別在298m/s和213m/s左右。值得注意的是，雖然大部分旋轉流線較為規律，但在輸纖管道和引紗管氣流出口交界區域發生了流線匯交紊亂，說明這兩處的湍流強度明顯高于其他流域，與紡紗通道氣流速度場分析結果一致。

5 結 論

通過輸纖管道、凝聚槽、旋轉壁面、靜止壁面等關鍵流域流場特性的數值模擬與深入分析，對于抽氣式轉杯的氣流成紗機理有了清晰認識，同時有助于準確理解纖維束在輸送、滑移、凝聚及加捻成紗過程中的壓力場和速度場特性。主要結論如下：

1）紡紗通道內部靜壓為負值，在輸纖管道氣流出口上方區域存在旋渦狀高壓區，最大靜壓值約-10923Pa。動壓在靠近滑移面和凝聚槽區域梯度明顯，壓力變化約在7000～24700Pa。靜、動壓在凝聚槽水平截面上呈環形層狀分布，且從轉杯中心向凝聚槽邊緣逐漸增大，有助于氣體流動和纖維束凝聚。

2）轉杯內部氣流速度矢量整體呈旋轉流動狀態，在輸纖管道出口處存在較大湍流速度。流場外壁（旋轉壁面）氣流速度明顯大于其他流域，最大流速位于凝聚槽邊緣，約為428.68m/s。凝聚槽水平截面上氣流以切向運動為主，輸纖管道垂直截面上氣流速度呈遞增式分布。紡紗通道速度場流向清晰、分布合理，符合抽氣式轉杯氣流運動特征和纖維輸送要求。

3）由輸纖管道和引紗管進入轉杯的兩路氣流從下向上旋轉流動，其中大部分氣流經活絡通道出口流出。紡紗通道流線軌跡層界清晰、流向規律，但在來流交匯處流線較為紊亂，與壓力場旋渦高壓區和速度場湍流區分析結果相符。

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