喷气涡流纺纤维与气流耦合作用特性及应用研究

论文摘要

气流在纺织加工过程中得到了广泛的应用。目前最新型的纺纱技术—喷气涡流纺(Vortex Spinning)就是借助在喷嘴中产生的高速气流对纤维进行加捻继而成纱的。喷嘴是喷气涡流纺加捻成纱的关键部件,具有极大柔性和极高长径比的纤维在加捻过程中与喷嘴高速气流场之间存在耦合作用,并与喷嘴壁面之间存在接触和摩擦作用,因此,喷气涡流纺的成纱过程涉及到非常复杂的力学问题。本文旨在对纤维在喷气涡流纺喷嘴气流场中的动力学和运动学特性进行深入而全面的研究,探究其成纱机理,为涉及纤维/气流耦合作用的纺织工艺提供理论参考。目前针对纺织加工中涉及的两相流动问题所建立的纤维模型多为多刚体链式纤维模型,难以体现纺织纤维巨大的长径比,此外也多只考虑了纤维与气流的单向耦合。本文采用计算流体力学与纤维有限元理论方法,建立了高速涡流与纤维耦合相互作用的动力学模型,采用完全拉格朗日法表述纤维在气流场中运动时产生的非线性大变形以体现纤维的柔性,将纤维的物理特性参数如长度、细度、杨氏模量等纳入纤维模型中以体现纤维的几何特征与弹性,选取任意拉格朗日—欧拉法并结合动网格技术对纤维在喷嘴气流场中的耦合作用与运动变形进行求解,同时采用约束函数法求解纤维与喷嘴壁面的接触作用,有效地解决了大长径比柔弹性纤维在喷气涡流纺喷嘴高速涡流作用下的动力学与运动学问题,数值模拟了纤维的非线性大变形。通过系列数值模拟与分析,获得了喷气涡流纺喷嘴中气流流动特征和柔弹性纤维在喷嘴高速涡流中的运动与变形特性。数值模拟结果表明：高速旋转气流形成于贴近喷嘴壁面的薄层区域内,并向下游旋转流动,构成气流场的外部区域。从喷嘴外部分别沿喷嘴入口和空心锭内的纱线通道进入加捻腔的两股弱气流发生碰撞而导致加捻腔中回流和涡的产生,构成气流场的内部区域。纤维在喷气涡流纺喷嘴中发生弯曲变形与螺旋形回转,呈波形运动,在不同位置处与空心锭内壁发生接触。纤维尾端在气流作用下成为自由分离状态,随后通过周期性的螺旋回转,包缠在纤维须条上形成纱线。为定量地表征纤维在纱线中的包缠效果,引入了纤维分离程度、包缠周期数和回转幅度等三个纤维运动规律参数,成纱的性能是三个参数综合影响的结果。纤维分离程度越高,包缠周期数越多,回转幅度越大,则成纱强力越高。喷嘴中气流流动特征的数值模拟结果表明：当喷嘴气压由4×105Pa增加至6×105Pa时,气流的切向速度随之增大,但分布规律保持不变,当喷嘴气压为5×105Pa时,气流的径向速度值最大；当喷孔倾角由60°增大至80°时,气流切向速度的最大值以及径向速度均随之增大；螺旋曲面角度由30°增大到90°对气流分布特征的影响很小；喷嘴入口到空心锭距离由12 mm增加至16 mm有利于外部区域中旋转气流顺利向下游运动,但加捻腔中形成的涡的尺度将明显增加。纤维与气流耦合作用的数值模拟结果显示：喷嘴气压对纯棉喷气涡流纱强力的影响不显著,但不宜超过5×105Pa；随着纺纱速度的提高,纯棉喷气涡流纱强力降低。对于喷嘴结构参数,喷孔倾角为70°,喷孔直径为0.4 mm,喷嘴入口到空心锭距离为14 mm,空心锭锥角为15°～20°时,纯棉喷气涡流纱可获得最佳强力。纤维的运动规律随纤维类型的不同而发生变化,其中棉纤维的分离程度最高,粘胶纤维与lyocell纤维表现出相似的运动规律,涤纶纤维的回转幅度在四种类型的纤维中最大,粘胶纤维、lyocell纤维和涤纶纤维具有相同的包缠周期。采用高速摄影的实验方法捕捉了纤维在喷气涡流纺喷嘴气流场中的运动形态,并与数值模拟结果进行了对比分析。实验中根据雷诺相似准则对喷嘴进行放大以保证喷嘴模型与原型中的气流流动特征相似,使用一根纱线代替单纤维。实验研究发现：纤维在喷嘴中高速旋转气流的作用下发生弯曲并绕喷嘴轴线进行螺旋回转,随后在空心锭锥段产生了“倒伏”现象,并贴服在空心锭外表面进行周期性包缠运动。基于数值模拟结果,对喷气涡流纺的喷嘴结构参数进行了设计,对成纱质量进行预测,使喷嘴中气流场与纤维运动特性更加合理,与纺纱实验的研究结果较为吻合。对苎麻纱毛羽在络筒机上减少毛羽的气流喷嘴中的运动规律进行数值模拟,与高速摄影和工艺实验结果较为一致,表明了喷嘴在络筒机上减少毛羽的机理是利用旋转气流的作用使毛羽包缠到纱体上,同时验证了本文所建立的纤维／气流耦合动力学模型具有较好的普适性。综上所述,本文采用理论与实验的方法,对柔性纤维在喷气涡流纺喷嘴高速气流场中的耦合作用特性以及运动规律进行研究,并对理论研究结果进行实际应用。论文的研究结果可对揭示基于高速旋转气流对柔性纤维体进行加捻的机理提供理论依据,为涉及纤维与气流耦合作用的纺织工艺及设备的研制提供可借鉴的理论研究方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 喷气涡流纺的国内外研究进展
• 1.2.2 纤维在流场中动力学行为的理论研究
• 1.2.3 纤维在流场中动力学行为的实验研究
• 1.2.4 流固耦合力学问题的理论研究进展
• 1.3 研究内容和研究目的
• 1.4 论文的章节安排
• 第二章 喷气涡流纺喷嘴中气流流动特征的数值模拟
• 2.1 喷气涡流纺喷嘴气流场理论模型
• 2.1.1 基本控制方程
• 2.1.2 湍流模型与近壁区处理
• 2.1.3 计算区域
• 2.1.4 边界条件
• 2.2 数值计算
• 2.2.1 网格划分
• 2.2.2 数值求解
• 2.3 数值模拟结果与分析
• 2.3.1 喷气涡流纺喷嘴中的气流流动特征
• 2.3.2 参数对喷气涡流纺喷嘴中气流流动特征的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 纤维在喷嘴气流场中的耦合动力学模型
• 3.1 纤维/气流耦合动力学模型
• 3.1.1 基于有限单元法的柔性纤维模型的建立
• 3.1.2 纤维/壁面接触模型
• 3.1.3 空间离散
• 3.1.4 时域离散
• 3.1.5 流体模型
• 3.1.6 流场控制方程的离散
• 3.1.7 纤维/气流双向耦合
• 3.2 纤维/气流耦合动力学模型的数值求解方法
• 3.2.1 计算区域
• 3.2.2 材料属性
• 3.2.3 边界条件
• 3.2.4 网格划分
• 3.2.5 初始条件
• 3.2.6 数值求解方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 纤维在喷气涡流纺喷嘴气流场中运动的数值模拟
• 4.1 纤维在喷嘴气流场中的运动规律分析
• 4.1.1 纤维在喷嘴中运动时喷嘴内的气流流动特征
• 4.1.2 纤维在喷嘴气流场中的运动规律
• 4.2 参数对纤维在喷嘴气流场中运动规律的影响
• 4.2.1 工艺参数
• 4.2.2 喷嘴结构参数
• 4.2.3 纤维类型
• 4.3 本章小结
• 第五章 纤维在喷气涡流纺喷嘴中运动规律的实验研究
• 5.1 纤维在喷嘴气流场中运动规律的实验测试方法
• 5.1.1 测试模型的选择与设计
• 5.1.2 实验仪器与实验方案
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 喷嘴气压对纤维在喷嘴中运动规律的影响
• 5.2.2 纺纱速度对纤维在喷嘴中运动规律的影响
• 5.2.3 喷嘴入口到空心锭距离对纤维在喷嘴中运动规律的影响
• 5.2.4 高速摄影与数值模拟结果的对比分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 理论结果的实际应用
• 6.1 喷气涡流纺喷嘴结构设计
• 6.2 喷气涡流纺成纱强力预测
• 6.3 利用喷嘴在络筒机上减少苎麻纱毛羽的研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论与贡献
• 7.2 本文存在的问题和进一步研究方向
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的论文、专利、项目和奖励情况
• 致谢