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《东华大学》 2004年
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纤维在喷嘴高速气流场中运动的研究和应用

曾泳春  
【摘要】: 气流在纺织领域的应用非常广泛,而高速气流的应用更是为许多新工艺的产生奠定了基础。但是,气流技术在纺织领域的应用还缺乏基础研究。本文的研究工作是以纺织设备中形成高速气流场的机件—喷嘴为研究对象,研究纤维在喷嘴高速气流场中的运动及纤维和气流的相互作用,在理论上阐明纤维在气流场中运动的规律,对如何在纺织加工中合理有效地利用气流技术生产出质量好、成本低的产品以及利用气流技术发展新工艺、新方法提供理论基础。 本文采用数值模拟的方法进行纤维/气流两相流的研究。由于拉格朗日方法在模拟颗粒运动轨迹方面的优势,本文采用拉格朗日方法实现纤维运动的模拟。为了简化研究手段,在研究中作了一定的简化假设:(1)由于纤维的质量流量较小,木文只研究单向耦合问题,即忽略纤维刘流场的反作用;(2)忽略湍流脉动对纤维的作用;(3)不考虑纤维—纤维以及纤维—壁面之间的作用;(4)不考虑热交换。这样,气流场的运动可以独立地计算,在此基础上计算纤维的运动。 本文的研究工作覆盖了两大部分:一是对高速气流场及纤维在气流场中的运动进行数值模拟;二是对理论研究结果进行分析和应用。 第一部分的研究工作是本文的重点,涵盖了论文的第三、四两章,包括纤维/气流两相流数学模型的建立、喷嘴中高速气流场的数值模拟以及纤维在喷嘴气流场中运动的模拟等内容。 根据所提出的研究方法,在第三章首先对纤维/气流两相流模型中的流体相进行计算,采用有限容积法对喷嘴中的高速气流场进行数值模拟。数值模拟结果揭示了喷嘴中气流场的速度分布和压力分布等流动特征,通过CFD(计算流体力学)软件获得的喷嘴中流场速度矢量图、流线图等更加直观地展示了喷嘴中的气流流动特征。数值模拟结果与LDA(激光多普勒测速仪)的测试结果吻合很好,并且证实了以前学者通过理论分析得到的一些推测性结论。同时,通过数值模拟研究了喷嘴压力、喷孔倾角、喷孔位置和纱道直径等喷嘴参数对 喷嘴中气流流动特征的影响。研究发现喷嘴压力和喷孔倾角的影响比较显著, 随着喷嘴压力的增大,气流轴向和切向速度增大,但喷嘴入口区的负压和轴向 速度随着喷嘴压力的增大而减小;随着喷孔倾角的增大,气流切向速度增大, 而喷孔倾角对气流轴向速度的影响比较复杂,喷孔倾角对喷嘴入口区的负压和 轴向速度影响很大,随着喷孔倾角的增大,喷嘴入口区的负压和轴向速度显著 减小,且喷嘴中形成的回流强度和面积增大,当喷孔倾角达到80“时,在喷孔 的上方和下方都有回流产生。喷孔位置对喷嘴中气流场的速度、压力分布规律 几乎不产生影响,只是随着位置的改变,速度和压力值发生变化的位置相应改 变。纱道直径也对喷嘴中气流的速度、压力及其分布产生影响。 论文第四章首先提出了描述纤维的方法一纤维模型,对纤维模型在气流场 中进行动力学分析,在此基础上建立纤维/气流两相流数学模型。根据气流场的 数值模拟结果,求解纤维运动方程,从而对纤维在气流场中的运动轨迹进行追 踪。采用高速摄影技术进行实验验证,纤维运动的模拟结果与高速摄影图像吻 合较好。同时,通过模拟也展现了喷嘴参数和纤维性能参数如喷嘴压力、喷孔 倾角和纤维抗弯刚度等对纤维在喷嘴气流场中运动状况的影响,而初始包缠角 的引入可以定量地说明参数对纤维在喷嘴中包缠程度的影响。研究结果说明了 随着喷嘴压力和喷孔倾角的增大,纤维在喷嘴中的初始包缠程度增大,而纤维 抗弯刚度对纤维在喷嘴中的初始包缠程度影响不大,一个有趣的现象是抗弯刚 度较大的纤维完成初始包缠过程的时间要短于抗弯刚度较小的纤维。 本文第二部分的工作是根据理论研究的结果,在以下三方面加以应用: (1)喷气纺纱的参数优化设计,包括工艺参数、喷嘴结构参数和纤维参 数。与理论研究相对应,选择了三个重要的参数进行设计:喷嘴压力、喷孔倾 角和纤维抗弯刚度,得出第一喷嘴压力不需要超过3.Oxl护Pa,第一喷嘴喷孔 倾角的最优范围为45。一55“,而抗弯刚度较大的纤维似乎能更快地完成初始包 缠过程。分析的结果与本文中的以及以前学者的实验研究进行了比较。 (2)喷气纱强力的预测,用数值模拟的方法和人工神经网络模型对喷气 纱的强力进行预测。数值模拟只能做定性的预测,但使我们能清楚地了解加工 过程以及参数影响纱线拉伸性能的物理意义;而人工神经网络模型能对喷气纱 子 的强力做比较精确的定量预测。采用多层感知器网络结构和 Levenberg一Marql-iardt算法建立神经网络模型,建立喷气纱强力与第一喷嘴压 力、第二喷嘴压力、纺纱速度、前罗拉钳口到第一喷嘴的距离以及第一喷嘴中 的喷孔位置等五个工艺和喷嘴结构参数之间的关系。 (3)利用喷嘴减少毛羽,包括应用于细纱工序的JetRing工艺和应用于络 筒工序的Jetwind工艺。理论分析阐明了利用喷嘴减少毛羽的机理。用理论分 析和实验的方法研究了喷嘴压力、喷孔倾角对JetRing纱和Jetwind纱上毛羽 的影响。 综上所述,本文建立了纤维/气流两相流模型,采用数值模拟的方法对喷 嘴气流
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