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《东华大学》 2010年
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基于流场模拟的喷气涡流纺成纱工艺与纱线结构的相关性研究

邹专勇  
【摘要】:高速、自动化、短流程、生态环保及产品高质量是纺纱技术发展的必然趋势,也是纺织工业实现高附加值的必要前提。喷气涡流纺利用高速旋转气流加捻倒伏在空心锭子入口的自由尾端纤维成纱,因其高纺纱速度、高自动化程度、短流程、低能耗及优异的纱线性能而受到业内人士的广泛关注,具有广泛的市场前景。 喷气涡流纱的成纱工艺改变将导致喷气涡流纱结构的变化,竟而引起喷气涡流纱性能变化。目前国内外研究主要从实验角度对喷气涡流纺成纱机理、纱线结构及成纱工艺与纱线结构的相关性等方面进行探讨。因此本文将从理论上探讨喷气涡流纺成纱工艺与纱线结构的相关性,建立二者之间的非线性理论,并结合实验给予验证。对喷气涡流纺成纱工艺与结构的相关性进行研究具有重要意义,一方面可以优化成纱工艺,完善关键成纱部件结构,另一方面为设计喷气涡流纱结构奠定理论基础。 因喷气涡流纺喷嘴内部(加捻腔)气流对纤维作用规律非常复杂,要讨论喷气涡流纺成纱工艺与纱线结构的相关性必须充分理解喷气涡流纺的成纱机理,应首先研究喷嘴内部流场流动规律,其原因在于明确喷气涡流纺的成纱机理是弄清喷气涡流纺成纱工艺与纱线结构相关性的前提条件;然后基于流场流动规律分析气流对加捻腔中纤维和纱线的作用规律,最后建立非线性理论讨论喷气涡流纺成纱工艺变化对喷气涡流纱结构的影响。主要研究内容和结论如下: (1)基于MurataNo.861喷气涡流纺系统,应用Gambit软件获得喷嘴内部流场计算区域,然后建立喷气涡流纺喷嘴内部流场的计算流体动力学模型。计算流体动力学模型采用标准κ-ε湍流模型,并利用SIMPLE算法对控制方程进行离散,然后基于TDMA算法对离散方程进行迭代求解。计算流体动力学模型求解过程在流体计算软件FLUENT 6.3中完成,由此获得喷嘴内部流场的流动规律。研究结果表明:压缩气体经喷孔后在喷嘴内部形成高速三维旋转气流,切向和轴向气流速度分布符合旋转气流理论;切向气流用于加捻倒伏在空心锭子入口的自由尾端纤维;轴向气流对纤维束的牵伸作用可忽略;径向气流对纤维束起膨胀作用,在切向气流作用下产生更多自由尾端纤维,从而利于增加包缠纤维的数量;喷嘴内部静压呈“U”形分布;倒伏在空心锭子入口的自由尾端纤维在不同位置受旋转气流加捻程度的差异导致纱线捻度存在不匀。 (2)基于已建立的喷嘴内部流场计算流体动力学模型,讨论喷嘴结构参数及喷孔出口速度等工艺参数对喷嘴内部流场流动特征的影响。研究结果表明:切向速度随喷孔倾角的增加而减小,轴向速度随喷孔倾角的增加而增大;喷孔倾角增加,喷嘴轴线负压先增大后减小,喷孔倾角为30。时负压最大;喷孔出口速度越大,切向、轴向、径向速度越大,沿喷嘴轴线负压也越大;喷嘴入口直径越小,加捻腔中同一位置处的切向、轴向速度越大;空心锭子外径对气流速度场影响较小,但较小的空心锭子可使喷嘴轴线上获得较大的负压;随空心锭子与喷嘴入口距离的增加,速度呈减小趋势,同时喷嘴内部静压也减小,但喷嘴进口负压增大。 (3)在对喷嘴内部流场的数值模拟基础上,通过解析法研究旋转气流对喷气涡流纱加捻强度的强弱。研究结果表明:旋转气流对喷气涡流纱的加捻强度是喷孔数目、喷孔倾角、喷孔直径、喷嘴直径、空心锭外径、喷孔出口速度(即喷嘴气压)、空心锭子入口与喷嘴入口距离、喷嘴上部高度、喷嘴中部高度、纱线直径等的函数。随喷孔出口速度增加,旋转气流对喷气涡流纱的加捻强度增强;随加捻喷嘴直径减小,旋转气流对喷气涡流纱的加捻强度增大;随空心锭子入口与喷嘴入口距离增加,旋转气流对喷气涡流纱的加捻强度减小;随空心锭子外径增加,旋转气流对喷气涡流纱的加捻强度增加。数值计算及实验结果表明了解析模型的有效性。 (4)基于喷气涡流纺成纱过程,并依据喷嘴内部流场流动规律,分析加捻腔中纤维在旋转气流作用下的空间轨迹,讨论喷气涡流纱中纤维的空间构象。研究结果表明:纤维在纱中的空间轨迹方程是纺纱速度、前罗拉钳口与空心锭子入口距、纤维长度、纱线直径及纤维旋转的平均角速度等的函数;纤维在纱中的空间轨迹从理论上证实了喷气涡流纱的长毛羽极少;喷气涡流纱的毛羽可分为头端毛羽、尾端毛羽和无规突出毛羽三类;若须条中单纤维均为平行伸直纤维,那么喷气涡流纱中纤维构象可分类两类,一类是整根纤维均为芯纤维,构象不受工艺参数变化的影响;另一类是纤维由芯纤维、转移包缠纤维和表面包缠纤维组成,该类纤维占绝大部分。对后一种情况,其中芯纤维的长度受纤维长度和前罗拉钳口与空心锭子入口距离的影响,转移包缠纤维构象用转移包缠宽度和转移包缠纤维长度来表征,受纤维规格、纱线直径、喷嘴气压及纺纱速度等参数影响,表面包缠纤维用平均螺距和平均包缠角来描述,受纤维旋转的平均角速度(由喷嘴气压和纤维规格决定)、纺纱速度及纱线直径等参数影响。若须条中部分单纤维并不完全平行伸直时,喷气涡流纱中该部分纤维就可能出现头端弯钩(即前弯钩)、尾端弯钩(即后弯钩)、中部无规纠缠和各种组合情况等无规构象。 (5)利用已建立的喷嘴内部流场的数值计算方法,首先对喷气涡流纺喷嘴内部流场衰减规律进行探讨,然后基于喷嘴内部流场衰减规律,讨论加捻腔中纤维的受力情况及涡流作用下的运动状况;最后建立倒伏在空心锭子入口处的纤维自由尾端绕空心锭子旋转的临界角速度与进入纱尾的纤维头端长度、纤维半径等参数的函数关系,以临界角速度作为衡量纤维头端是否被抽拔的依据,以此解释喷气涡流纺落纤,成纱粗、细节的产生。研究结果表明:临界角速度随进入纱尾的纤维头端长度的增加而增加;纤维半径越大,临界角速度越小,则在相同喷嘴气压下粗纤维纺纱,落纤、成纱粗、细节较多;增加喷嘴气压首先对成线强力有利,超过某临界值落纤、成纱粗、细节反而增加,对成纱质量不利;增加喷嘴入口负压,适当减小前罗拉钳口与空心锭子入口距离可减少落纤,粗、细节的产生。 (6)低落纤的喷气涡流纺装置可从两个方面来实现:一方面考虑利用气流假捻效应和适当减小紧密锭子内径来对喷气涡流纱纱尾结构进行紧密,从而增加纱尾对刚进入的纤维头端的约束力,减少旋转气流对进入纱尾的纤维头端抽拔,竟而降低落纤形成的概率;另一方面考虑优化设计喷嘴结构,最大程度降低旋转气流干扰纤维头端进入紧密锭子入口和加捻纤维自由尾端。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TS104

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【参考文献】
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