徐曄 韓冬桂 劉芳 燕怒

摘 要：細(xì)紗是紡紗生產(chǎn)的最后一道工序，其清潔系統(tǒng)性能的高低對(duì)紗線質(zhì)量有著重要影響。針對(duì)吸棉笛管工作效率不足問(wèn)題，基于計(jì)算流體動(dòng)力方法（CFD），采用三維κ-ε湍流模型，利用Ansys Fluent軟件對(duì)吸棉笛管內(nèi)腔氣流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明：現(xiàn)有吸棉笛管中x方向運(yùn)動(dòng)氣流主要集中于靠近后壁面區(qū)域，通過(guò)吸口的氣流垂直沖擊壁面后造成較大的氣流阻滯區(qū)域和氣流渦流區(qū)域。采用不超過(guò)26°角度導(dǎo)流孔對(duì)氣流場(chǎng)有一定的改善，增加了氣流向中間尾管x方向分量速度，提高了流出尾管氣流流量，減少了氣流垂直沖擊壁面造成的動(dòng)能損失。

關(guān)鍵詞：吸棉笛管；氣流場(chǎng)；數(shù)值模擬；CFD；傾角

中圖分類號(hào)：TS112.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2018）04-0083-05

Abstract：Fining yarn is the last process of spinning yarn. The performance of cleaning system plays a great role for yarn quality. For the low working efficiency of suction tube， Ansys Fluent software was used to conduct simulation of airflow field of cotton suction tube by computational fluid dynamics method （CFD） and 3D k-ε model. Results indicate that the movement of airflow in the x direction mainly concentrated near the rear wall area. The larger airflow blocking area and airflow swirl area were caused after the airflow through the suction vertically impacts the wall. When the diversion hole with the angle no greater than 26° was applied， the airflow field was improved to certain degree， and x direction component speed of air flow towards the middle tail tube was accelerated. In addition， outflow of tail air increased， and the kinetic energy loss caused by the vertical impact wall decreased.

Key words：suction tube； airflow field； numerical simulation； CFD； angle of inclination

細(xì)紗是紡織工序中關(guān)鍵的一步，其產(chǎn)出的紗線質(zhì)量直接關(guān)系到成品紡紗的品質(zhì)好壞[1]。紗線在紡紗過(guò)程中被牽伸、加捻、卷繞，纖維在受到加捻外力和相互卷繞摩擦力中容易受到損傷，產(chǎn)生斷頭、雜屑、飛花[2]。吸棉笛管在高壓風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓動(dòng)力下，對(duì)加捻工作區(qū)域提供穩(wěn)定的吸風(fēng)氣流如圖1所示。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，通常一臺(tái)細(xì)紗機(jī)左右兩邊各有數(shù)百個(gè)錠子，兩側(cè)吸棉笛管一字排開(kāi)，與中央風(fēng)管相應(yīng)部位連接。由于較長(zhǎng)的中央風(fēng)管造成負(fù)壓部分損耗，存在著中央風(fēng)管末端處相對(duì)于始端供給吸棉笛管的負(fù)壓減小問(wèn)題，進(jìn)而使得管內(nèi)吸入空氣流量下降。這導(dǎo)致了吸口堵塞和斷頭不能及時(shí)被吸走，出現(xiàn)纖維在皮輥、羅拉纏繞現(xiàn)象[3-4]。結(jié)構(gòu)對(duì)吸棉笛管內(nèi)氣流流動(dòng)有著重要的影響。現(xiàn)在普遍使用的吸棉笛管設(shè)計(jì)年代較早，當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)由于條件所限對(duì)管空腔內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)認(rèn)識(shí)和分析不足，存在需要改進(jìn)完善的空間。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外如立達(dá)機(jī)械等對(duì)吸棉管結(jié)構(gòu)做出了不同的改進(jìn)[5-6]，但是對(duì)管內(nèi)氣流場(chǎng)特性的研究較少。本文以某型號(hào)細(xì)紗機(jī)清潔系統(tǒng)的吸棉笛管作為研究對(duì)象，計(jì)算模擬出吸棉笛管的內(nèi)腔氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠觀察到不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性，獲得任意位置的速度和流量等參數(shù)。通過(guò)分析氣流流場(chǎng)分布狀況及特性，減小流場(chǎng)中阻滯區(qū)域。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的吸棉笛管在保持與優(yōu)化前負(fù)壓條件和吸風(fēng)性能不變的基礎(chǔ)上只需較小的負(fù)壓條件，能夠減小始末端吸棉管吸風(fēng)流量差距，保證紗線質(zhì)量一致性。

1 吸棉笛管及流域模型建立

1.1 吸棉笛管部件基本介紹

吸棉笛管位于細(xì)紗機(jī)前羅拉下，如圖2（a）所示。

吸棉笛管是關(guān)于中心對(duì)稱的細(xì)長(zhǎng)空心體，正面有6個(gè)間距固定的吸棉孔，每個(gè)吸孔靠近前鉗口，為相應(yīng)的加捻區(qū)域提供吸風(fēng)氣流。后部有一尾管通過(guò)水平布置的中央風(fēng)管與高壓氣泵相連接。整個(gè)管體是空心體，壁厚為2 mm。管體常用材料為鋁合金材質(zhì)。

1.2 前處理

首先使用Solidworks軟件對(duì)吸棉笛管進(jìn)行實(shí)體建模，忽略掉一些較小且不影響氣流運(yùn)動(dòng)的特征，把模型以x-t格式保存，然后導(dǎo)出到Meshing網(wǎng)格模型劃分軟件中，通過(guò)Fill工具抽取內(nèi)腔，建立管內(nèi)腔幾何模型，并將其與吸口附近外部擴(kuò)展區(qū)域空間合并，作為計(jì)算氣流區(qū)域的模型。特別的對(duì)與壁面接觸的流體區(qū)域采用膨脹層方法劃分，使其網(wǎng)格更加精細(xì)，同時(shí)得到結(jié)果更加真實(shí)[7]。因?yàn)镕luent采用有限體積法將待計(jì)算的區(qū)域劃分為離散網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分方法和數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果有著顯著影響[8]。最后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為0.5 mm左右，最小網(wǎng)格尺寸為0.2 mm左右。本文采用四面體網(wǎng)格，體網(wǎng)格數(shù)量為41萬(wàn)左右，最終得到流體區(qū)域網(wǎng)格模型如圖2（b）所示。將該空腔體網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行模擬仿真。氣體的流動(dòng)遵循物理守恒定律。計(jì)算中遵循質(zhì)量、能量、N-S方程、動(dòng)量守恒方程[8]。

1.3 邊界條件的設(shè)置

本模擬使用定常流動(dòng)，假設(shè)空氣為不可壓縮氣體，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，流體粘性為1.81×10-5 kg/（m·s），密度為1.205 kg/m3。出口和入口均設(shè)定為壓力邊界條件，入口與大氣通，環(huán)境溫度為25 ℃，出口壓力設(shè)置為-1 000 Pa[9]。

2 仿真計(jì)算與分析

2.1 氣流場(chǎng)的軌跡與速度

如圖2所示，把吸棉笛管6個(gè)吸口編號(hào)為A、B、C、D、E、F口。通過(guò)以上邊界條件設(shè)置，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示，在加捻紗線附近的空氣被吸棉笛管的6個(gè)吸口吸入，垂直撞到管后壁面向兩側(cè)擴(kuò)散，空氣在內(nèi)腔里向中心尾管運(yùn)動(dòng)再被匯集排出，氣流軌跡主要集中于靠近吸棉笛管后壁面區(qū)域，在兩吸口之間和后壁面附近伴隨有渦流。由圖4和圖5可知，氣流從外部通過(guò)吸口時(shí)速度最大，進(jìn)入吸口后速度逐漸衰減，撞擊后壁面后速度急劇減小，靠近吸管后壁的區(qū)域中流速較快，但遠(yuǎn)離后壁面的大部分區(qū)域流速較為緩慢。

2.2 內(nèi)腔氣流阻滯區(qū)域分析

值得注意的是吸棉笛管的主要功能是把吸入的空氣向中間尾管匯集。以右半吸棉笛管為例，沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)的快慢直接影響著尾管排出空氣流量的多少，因此腔內(nèi)氣流x方向分量速度是本研究主要關(guān)注目標(biāo)，是評(píng)價(jià)工作效率高低的評(píng)判指征。因此分析氣流沿x方向分量速度正負(fù)分布圖是判斷吸棉笛管效率高低的重要方法。圖6為x方向速度云圖，可以觀察到氣流穿過(guò)吸口后垂直撞向后壁向兩側(cè)擴(kuò)散，內(nèi)腔底部形成數(shù)個(gè)氣流阻滯區(qū)域帶，阻礙了管內(nèi)氣流向尾管運(yùn)動(dòng)。如圖7（a）所示，在管內(nèi)腔氣流流場(chǎng)中選取6個(gè)具有代表性的截面圖。在圖7（b）中x方向運(yùn)動(dòng)速度較大的氣流主要集中于靠近吸棉笛管后壁面區(qū)域，而遠(yuǎn)離后壁面的中上部分運(yùn)動(dòng)較緩和?？梢?jiàn)相同截面不同位置速度差別明顯。截面⑤中間區(qū)域速度衰減明顯，與左右區(qū)域差別較大，可知垂直氣流的沖擊干擾了氣流沿x正方向運(yùn)動(dòng)。

如圖8（a）所示，在吸口XY截面上取三條不同距離的平行直線。圖8（b）在遠(yuǎn)離后壁面的線2、3位置上氣流沿x方向運(yùn)動(dòng)的速度較為緩和。但是在靠近后壁的線1位置上x(chóng)方向的速度呈大幅度正負(fù)交替變化。如圖9所示在吸口附近和后尾管處存在有核心湍流區(qū)域。

綜上所述：空腔上下不同區(qū)域中氣流x方向運(yùn)動(dòng)速度差別較為明顯。x方向速度較大區(qū)域主要集中于靠近后壁面附近。雖然在靠近后壁面區(qū)域中氣流x方向速度較大，但是被垂直撞擊于后壁面兩側(cè)擴(kuò)散的氣流所干擾呈正負(fù)變化，形成數(shù)個(gè)阻滯區(qū)域帶，因而需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 吸棉管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 增加導(dǎo)流孔有助于流場(chǎng)優(yōu)化

根據(jù)前面的仿真分析，垂直沖擊的入射氣流是靠近后壁面附近區(qū)域的氣流速度較大且呈大幅度正負(fù)交替變化的主要原因。王輝等[10]在研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)絡(luò)筒機(jī)吸紗風(fēng)道時(shí)，運(yùn)用增加導(dǎo)向性管道的方法以減小對(duì)后壁面沖擊和氣流動(dòng)能損失，在一定程度上印證了改變氣流入射角度有助于提高氣流在管內(nèi)運(yùn)輸效率。通過(guò)增加導(dǎo)流孔改變氣流入射角度，以增加的相對(duì)緩沖距離和x方向運(yùn)動(dòng)區(qū)域，減小氣流阻滯區(qū)域和垂直撞擊后壁面造成的動(dòng)能損失。

3.2 模型建立與仿真分析

通過(guò)Solidworks建立加裝導(dǎo)流孔后的參數(shù)化模型如圖10所示，以方便及時(shí)對(duì)角度α修改后吸棉笛管模型自動(dòng)更新。建模軟件與Ansys Fluent關(guān)聯(lián)后可以方便地計(jì)算改變參數(shù)后的模擬流量。

以傾斜角度為0、15、30、45（°），長(zhǎng)度為12 mm的參數(shù)建立增加導(dǎo)流孔的吸棉笛管模型。圖11為Y=10.9 mm處截面x方向速度云圖。通過(guò)圖11與圖12比較會(huì)發(fā)現(xiàn)改變導(dǎo)流孔傾斜角度后，內(nèi)腔流場(chǎng)狀態(tài)有顯著變化?？拷蟊诿鎥正方向運(yùn)動(dòng)區(qū)域明顯增大，且區(qū)域向正方向偏移。而x負(fù)方向運(yùn)動(dòng)區(qū)域（阻滯區(qū)域）明顯縮小。證實(shí)了通過(guò)增加導(dǎo)流孔可以改變?nèi)肷錃饬鲀A角，減小阻滯區(qū)域范圍，從而增加吸棉笛管吸入氣流流量。

由圖13可知，吸棉笛管的氣流量在一定范圍內(nèi)隨著傾斜角度增大而提高，使得氣流運(yùn)動(dòng)阻滯區(qū)域減小和管內(nèi)流場(chǎng)得到優(yōu)化。但是隨著角度繼續(xù)增大，當(dāng)角度α大于26°時(shí)，隨著孔傾斜角度的增大，可使吸棉笛管氣流量減小。由于過(guò)大的導(dǎo)流孔角度，使吸入氣流在孔口處運(yùn)動(dòng)方向急劇改變。氣流沖擊導(dǎo)流孔壁面的摩擦運(yùn)動(dòng)存在著動(dòng)能損失。同時(shí)隨著角度的增大，導(dǎo)致導(dǎo)流孔的橫截面積隨著減?。⊿=S原·cos α），這也是導(dǎo)致吸棉笛管氣流流量下降因素之一。

在相同吸管結(jié)構(gòu)下，尾管處設(shè)置負(fù)壓的大小與吸管的流量存在正相關(guān)關(guān)系。隨著尾管處負(fù)壓減小，管內(nèi)出口流量隨之減小。通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)流孔來(lái)改善管內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)和提高吸入流量。通過(guò)仿真對(duì)比，改進(jìn)后增加22°導(dǎo)流孔的吸棉笛管在-870 Pa條件下流量為0.005 09 m3/s與原吸棉管在-1 000 Pa時(shí)的流量0.005 14 m3/s較為相近。達(dá)到了在較小負(fù)壓條件下與始端位置吸棉笛管相近的吸棉效果。減小始末端吸棉笛管吸風(fēng)性能差距，提高紗線產(chǎn)品一致性。

4 結(jié) 語(yǔ)

垂管內(nèi)x方向運(yùn)動(dòng)氣流較為集中于靠近后壁面區(qū)域。垂直入射氣流和較小緩沖距是形成氣流x負(fù)方向運(yùn)動(dòng)區(qū)域（阻滯區(qū)域）的主要原因。通過(guò)增加的導(dǎo)流孔改變?nèi)肷淞鞯膬A角，可以顯著得使靠近后壁面的氣流x正方向運(yùn)動(dòng)區(qū)域明顯擴(kuò)大，同時(shí)向尾管處偏移，而x負(fù)方向運(yùn)動(dòng)區(qū)域（阻滯區(qū)域）明顯縮小，這使得在傾角一定范圍內(nèi)的導(dǎo)流孔能提高吸棉笛管吸入流量。導(dǎo)流孔角度和長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)流量結(jié)果的影響敏感度分析將在下一步研究完成。

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