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喷气纺纱喷嘴内三维旋转气流场及柔性纤维运动的研究

郭会芬  
【摘要】: 喷气纺纱以其速度快、产量高、用工少等优越性,被普遍认为是最具发展前景的一种新型纺纱方法,它是通过在两喷嘴内所形成的相互反向旋转的气流对纤维须条施加捻度而成纱的。目前,人们对喷气纺纱的研究主要集中在成纱机理、喷气纱结构、各种参数对喷气纱性能的影响上,且这些研究多是基于纺纱实验的,有较大的局限性。事实上,喷气纱的结构及其特性是由纤维在喷嘴内的运动规律所决定的,然而,在这方面仅有曾泳春对纤维在第一喷嘴内的运动进行了二维数值研究。而喷嘴内的高速旋转气流是高度三维的瞬时流场;再者,据两喷嘴的不同作用,第一、二喷嘴被分别做成圆柱管和渐扩管,因而,两喷嘴内的流动特性是不同的,从而影响了纤维在其内的运动。 基于上述原因,本文先用数值与实验方法对喷气纺不同喷嘴(包括有开纤管的喷嘴)内的三维旋转流场进行研究,并讨论了各喷嘴的不同参数对流场和纱特性的影响,因而,对这些喷嘴参数进行了优化。在对流场模拟的基础上,将柔性纤维离散成由不计质量的杆所连结的珠链,并认为纤维的质量以及所受力都分布在珠上,而杆只起到传递内力和变形的作用,在考虑纤维的弯曲和扭转变形情况下,建立其动力学方程,对柔性纤维在高速旋转流中的运动进行模拟。 本文的主要研究内容和结果如下: 1.三维瞬时旋转气流场的模拟 对所有喷嘴来说,由于气流的反喷,在喷孔上游壁面附近会形成回流区,而在喷孔的下游会发生涡破裂。在不同喷嘴中,这些回流和涡破裂将经历复杂的变化。在第一喷嘴内,涡破裂是周期性变化的螺旋型破裂,且在整个周期内,涡破裂位置缓慢地向下游移动,而上游回流会向喷嘴入口方向拉伸;在第二喷嘴内涡破裂由最初的泡型破裂发展为锥形破裂,且在锥形破裂的内部螺旋结构也呈现周期性变化,而上游回流的大小随时间的增加先增长后减小;在有开纤管的第一喷嘴内,随时间的增长,初时泡型涡破裂沿流向拉伸增长,进一步地,泡型破裂转变为螺旋破裂,最后,当在喷孔的上游和沟槽台阶后的两回流区不再变化时,螺旋型破裂呈现周期性衰减。 2.喷嘴压力对旋流场的影响 对所有喷嘴来说,当喷嘴压力增加时,速度增加,但其增长趋势下降。然而,速度分布规律不随喷嘴压力的变化而变化。然而,随着喷嘴压力的增加,涡破裂的发生位置在第一喷嘴(或有开纤管)内向喷嘴出口方向移动,而在第二喷嘴内向喷孔方向移动。 3.第一、二喷嘴几何参数对旋流场的影响 在两喷嘴内,喷孔上游的速度和回流强度都随喷射角的增加而增加;然而,喷孔下游的涡破裂位置在两喷嘴内的移动是相反的,即,在第一喷嘴内向喷嘴出口方向移动,而在第二喷嘴内向喷孔方向移动。当喷孔数或喷孔直径增加时,速度会随之增加但其增长趋势下降;然而,涡破裂的强度和大小在第一喷嘴内减小而在第二喷嘴内却增加。由于捻室管径沿轴向变化不同,喷孔位置对两喷嘴的影响明显不同。对第一喷嘴而言,当喷孔位置变化时,其喷孔附近的速度变化不大;然而,当喷孔位于喷嘴入口附近时,较大的反喷不利于引纱。由于第二喷嘴捻室的扩散,当喷孔位置向下移动时,涡破裂的发生也移向下游。当第一喷嘴的捻室直径增加时,流动变得极为紊乱。然而,在第二喷嘴内,喷嘴出口直径的变化不影响速度分布,然而,随着喷嘴出口直径的增加,速度和涡破裂的强度都减小。 4.开纤管沟槽参数对旋流场的影响 对于所有工况,在沟槽和捻室内的气流旋向是相反的。沟槽高度增加时,台阶后面的角回流区的长度增大,沟槽内的初始涡环减小,并在槽底形成一个新的同向旋转涡。当沟槽宽度增加时,喷孔下游的切向速度不变,然而,喷孔下游的涡破裂以及沟槽内的涡环尺度都会稍微增加,然而,角回流区沿流向的尺度减小。随着沟槽长度的增加,角回流区的大小以及沟槽内的负切向速度和涡环大小都不变。沟槽数的变化对喷孔附近的速度分布影响不大,且四矩形沟槽喷嘴会产生较大速度和较强的涡破裂。 5.第一喷嘴内旋流的PIV实验研究 PIV的流速测量表明,流速矢量以螺旋形沿流向衰减,并在螺旋内部存在低速区,且轴向速度以螺旋的中心为轴呈对称分布。当喷孔数增加时,轴向速度和切向速度总体上呈增加趋势,因而,旋度沿流向的衰减程度减小,且在较小的喷孔数下,流动在喷嘴出口附近变为轴流。当喷孔直径增加时,轴向速度在远离喷嘴出口的区域增大,但沿流向喷孔直径越大,轴速的衰减越快;切向速度随喷孔直径的变化较复杂,其沿流向衰减较慢。因而,随喷孔直径的增加,在喷嘴出口附近的旋动越强。 6.第二喷嘴内流线角的流动可视化研究 对所有工况来说,壁面流线角在总体上是沿流向逐渐减小的,这意味着壁面剪切的切向分量的衰减;在喷嘴出口截面上,流线以与管横截面同心的圆向外呈顺时针螺旋状分布,这与第一喷嘴的逆时针旋向是相反的。随喷射角度或喷孔直径的增大,壁面流线角有减小的趋势;但随着喷孔数或喷孔位置的增加,壁面流线角增加,特别是在同样的喷孔总面积下,减小喷孔直径的同时增加喷孔数会使流线角增加。 7.纤维参数对纤维运动轨迹的影响 对本文所研究的纤维来说,随着纤维刚度的增加,纤维的头端所形成的螺旋旋转的程度和捻回数都会稍微增加,但总体而言,纤维刚度对其在喷嘴内的运动轨迹影响不大;纤维长度增加,柔性变形程度增加,但其捻回数减少。 8.纤维释放位置对纤维运动轨迹的影响 在第一喷嘴中,纤维的释放位置离中心越远,纤维的刚性变形越大,其缠绕作用减弱,从而和近轴心处释放的纤维形成捻差。与之相反,在第二喷嘴中,当纤维的释放位置远离中心时,纤维的柔性增加,包缠螺距很小,从而,能更紧的缠绕芯纤维,使纱获得强力;在近轴心处释放的纤维以刚性杆状在喷嘴内旋转,是无缠绕的。 9.喷嘴几何参数对纤维运动轨迹的影响 在第一喷嘴中,随着喷射角或喷孔直径的增加,纤维的柔性变形程度减小,且在较小的喷射角或喷孔直径下,纤维出现有/无自纠缠的卷绕变形,不利于其在第二喷嘴内的解捻,易引起纱条干不匀。然而,在第二喷嘴中,喷射角或喷孔直径越大,纤维的柔性越大,包缠性越好,然而,当喷射角为90°时,在喷孔的远下游,纤维的头端会形成倒弯钩,将影响纱条干均匀度。


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