紡紗轉杯內的非穩(wěn)定流動研究.pdf

1、轉杯紡紗中，轉杯作為轉杯紡紗機的主要旋轉部件，它的形狀、尺寸、轉速等工藝參數對成紗質量有著顯著的影響。由于轉杯內的流動非常復雜，它的流動狀態(tài)嚴重影響紡紗的質量，根據前人的研究，旋轉容器內不可壓縮流動隨著轉速的升高，會有著顯著的變化，特別是中心線上低壓區(qū)的形狀和大小，會隨著轉速和幾何形狀的變化而變化。但是目前轉杯內的非穩(wěn)定流動還沒有得到深入的研究，很多具體的影響規(guī)律還不清楚。本文將采用數值模擬的方法對紡紗轉杯內的旋轉流動進行數值模擬，得出

2、全流場的流動參數，研究紡紗轉杯內的流動失穩(wěn)現(xiàn)象。
　　首先，為了驗證能量梯度方法對復雜流動中流動失穩(wěn)的適用性，利用定常三維的Navier-Stokes方程，對180°矩形截面彎管內的流動不穩(wěn)定特性進行研究。按照Gauthier實驗中的原彎管尺寸，利用三維數值模擬的方法，得出不同Re數下的全三維流場。運用能量梯度理論，得到了彎管中能量梯度函數K的分布。通過與相同幾何和流動條件下的實驗結果比較，發(fā)現(xiàn)K值最大的位置最先發(fā)生流動失穩(wěn)，進而

3、形成渦流。計算所得到的能量梯度函數K的分布特性與實驗得到的流動失穩(wěn)區(qū)域基本一致。因此驗證了能量梯度方法應用于彎管流動中流動失穩(wěn)研究的正確性。
　　然后，利用非定常的三維Navier-Stokes方程，對紡紗轉杯圓錐室內旋轉流動中的渦破裂現(xiàn)象進行了數值模擬，分析了圓錐室內的渦破裂現(xiàn)象。對得出的全流場的流動參數，運用能量梯度方法計算出能量梯度函數K值的分布，研究渦破裂的物理機理。文中研究了三種室內的渦破裂現(xiàn)象:帶滑移角的紡紗轉杯圓錐室

4、，普通圓錐室和圓柱室。對紡紗轉杯圓錐室的研究表明:當雷諾數達到一定臨界值時，圓錐體內軸線附近會形成一個速度非常低的渦破裂區(qū)域。在所研究的高徑比范圍內，隨雷諾數的增加，渦破裂氣泡增大，其位置向遠離驅動面的方向移動，且最先出現(xiàn)渦破裂的位置不隨滑移角α的變化而變化。帶滑移角的紡紗轉杯圓錐室?guī)缀蜗鄬τ趫A柱室?guī)缀我种屏藴u破裂的產生，相對于普通圓錐室?guī)缀未龠M了渦破裂的產生。通過分析發(fā)現(xiàn)K值最大的位置最先發(fā)生流動失穩(wěn)。計算所得到的能量梯度函數K的分布

5、特性與渦破裂現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域基本一致。
　　最后，利用定常的三維Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型，對工業(yè)應用中轉杯紡紗機紡紗通道內的流動進行了數值模擬，分析了轉杯轉速和幾何參數對轉杯內部流動特性的影響。數值方法采用有限體積法和SIMPLE算法，計算網格采用非結構化網格。根據模擬結果得出了紡紗通道內的氣流特征:氣流在纖維輸送管內呈加速運動，當氣流到達纖維輸送管出口處速度達到最大。由于纖維輸送管在轉杯內的非對稱性，

6、氣流從纖維輸送管流出，在轉杯杯壁上形成沿相反的兩個方向上流動的兩股不同大小的氣流，沿順時針流動的氣流較多，逆時針流動的較少，順時針氣流在流過大約270°時與逆時針流動的氣流相撞，流向轉杯出口。纖維在凝聚槽內隨氣流順時針旋轉，而轉杯逆時針旋轉，這有利于纖維的加捻，增加紗線的強度。因此在保證纖維剝離位置不變的前提下，轉杯轉速越大越好。隨轉杯轉速的增加，轉杯子午面上的流動結構發(fā)生明顯的變化。隨轉杯轉速的增大，轉杯中心的低壓回流區(qū)的位置，先是向