噴氣紡紗噴嘴內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)氣流場(chǎng)及柔性纖維運(yùn)動(dòng)的研究.pdf

1、噴氣紡紗以其速度快、產(chǎn)量高、用工少等優(yōu)越性，被普遍認(rèn)為是最具發(fā)展前景的一種新型紡紗方法，它是通過在兩噴嘴內(nèi)所形成的相互反向旋轉(zhuǎn)的氣流對(duì)纖維須條施加捻度而成紗的。目前，人們對(duì)噴氣紡紗的研究主要集中在成紗機(jī)理、噴氣紗結(jié)構(gòu)、各種參數(shù)對(duì)噴氣紗性能的影響上，且這些研究多是基于紡紗實(shí)驗(yàn)的，有較大的局限性。事實(shí)上，噴氣紗的結(jié)構(gòu)及其特性是由纖維在噴嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所決定的，然而，在這方面僅有曾泳春對(duì)纖維在第一噴嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了二維數(shù)值研究。而噴嘴內(nèi)的高速

2、旋轉(zhuǎn)氣流是高度三維的瞬時(shí)流場(chǎng)；再者，據(jù)兩噴嘴的不同作用，第一、二噴嘴被分別做成圓柱管和漸擴(kuò)管，因而，兩噴嘴內(nèi)的流動(dòng)特性是不同的，從而影響了纖維在其內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。
　　 基于上述原因，本文先用數(shù)值與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)噴氣紡不同噴嘴(包括有開纖管的噴嘴)內(nèi)的三維旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)進(jìn)行研究，并討論了各噴嘴的不同參數(shù)對(duì)流場(chǎng)和紗特性的影響，因而，對(duì)這些噴嘴參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在對(duì)流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，將柔性纖維離散成由不計(jì)質(zhì)量的桿所連結(jié)的珠鏈，并認(rèn)為纖維的質(zhì)量以及所受

3、力都分布在珠上，而桿只起到傳遞內(nèi)力和變形的作用，在考慮纖維的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形情況下，建立其動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)柔性纖維在高速旋轉(zhuǎn)流中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 1.三維瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)氣流場(chǎng)的模擬對(duì)所有噴嘴來說，由于氣流的反噴，在噴孔上游壁面附近會(huì)形成回流區(qū)，而在噴孔的下游會(huì)發(fā)生渦破裂。在不同噴嘴中，這些回流和渦破裂將經(jīng)歷復(fù)雜的變化。在第一噴嘴內(nèi)，渦破裂是周期性變化的螺旋型破裂，且在整個(gè)周期內(nèi)，渦破裂位置緩慢地向下游移

4、動(dòng)，而上游回流會(huì)向噴嘴入口方向拉伸；在第二噴嘴內(nèi)渦破裂由最初的泡型破裂發(fā)展為錐形破裂，且在錐形破裂的內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)周期性變化，而上游回流的大小隨時(shí)間的增加先增長(zhǎng)后減?。辉谟虚_纖管的第一噴嘴內(nèi)，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，初時(shí)泡型渦破裂沿流向拉伸增長(zhǎng)，進(jìn)一步地，泡型破裂轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪屏?，最后，?dāng)在噴孔的上游和溝槽臺(tái)階后的兩回流區(qū)不再變化時(shí)，螺旋型破裂呈現(xiàn)周期性衰減。
　　 2.噴嘴壓力對(duì)旋流場(chǎng)的影響對(duì)所有噴嘴來說，當(dāng)噴嘴壓力增加時(shí)，速度增加，

5、但其增長(zhǎng)趨勢(shì)下降。然而，速度分布規(guī)律不隨噴嘴壓力的變化而變化。然而，隨著噴嘴壓力的增加，渦破裂的發(fā)生位置在第一噴嘴(或有開纖管)內(nèi)向噴嘴出口方向移動(dòng)，而在第二噴嘴內(nèi)向噴孔方向移動(dòng)。
　　 3.第一、二噴嘴幾何參數(shù)對(duì)旋流場(chǎng)的影響在兩噴嘴內(nèi)，噴孔上游的速度和回流強(qiáng)度都隨噴射角的增加而增加；然而，噴孔下游的渦破裂位置在兩噴嘴內(nèi)的移動(dòng)是相反的，即，在第一噴嘴內(nèi)向噴嘴出口方向移動(dòng)，而在第二噴嘴內(nèi)向噴孔方向移動(dòng)。當(dāng)噴孔數(shù)或噴孔直徑增加時(shí)，速

6、度會(huì)隨之增加但其增長(zhǎng)趨勢(shì)下降；然而，渦破裂的強(qiáng)度和大小在第一噴嘴內(nèi)減小而在第二噴嘴內(nèi)卻增加。由于捻室管徑沿軸向變化不同，噴孔位置對(duì)兩噴嘴的影響明顯不同。對(duì)第一噴嘴而言，當(dāng)噴孔位置變化時(shí)，其噴孔附近的速度變化不大；然而，當(dāng)噴孔位于噴嘴入口附近時(shí)，較大的反噴不利于引紗。由于第二噴嘴捻室的擴(kuò)散，當(dāng)噴孔位置向下移動(dòng)時(shí)，渦破裂的發(fā)生也移向下游。當(dāng)?shù)谝粐娮斓哪硎抑睆皆黾訒r(shí)，流動(dòng)變得極為紊亂。然而，在第二噴嘴內(nèi)，噴嘴出口直徑的變化不影響速度分布，然而

7、，隨著噴嘴出口直徑的增加，速度和渦破裂的強(qiáng)度都減小。
　　 4.開纖管溝槽參數(shù)對(duì)旋流場(chǎng)的影響對(duì)于所有工況，在溝槽和捻室內(nèi)的氣流旋向是相反的。溝槽高度增加時(shí)，臺(tái)階后面的角回流區(qū)的長(zhǎng)度增大，溝槽內(nèi)的初始渦環(huán)減小，并在槽底形成一個(gè)新的同向旋轉(zhuǎn)渦。當(dāng)溝槽寬度增加時(shí)，噴孔下游的切向速度不變，然而，噴孔下游的渦破裂以及溝槽內(nèi)的渦環(huán)尺度都會(huì)稍微增加，然而，角回流區(qū)沿流向的尺度減小。隨著溝槽長(zhǎng)度的增加，角回流區(qū)的大小以及溝槽內(nèi)的負(fù)切向速度和渦環(huán)

8、大小都不變。溝槽數(shù)的變化對(duì)噴孔附近的速度分布影響不大，且四矩形溝槽噴嘴會(huì)產(chǎn)生較大速度和較強(qiáng)的渦破裂。
　　 5.第一噴嘴內(nèi)旋流的PIV實(shí)驗(yàn)研究PIV的流速測(cè)量表明，流速矢量以螺旋形沿流向衰減，并在螺旋內(nèi)部存在低速區(qū)，且軸向速度以螺旋的中心為軸呈對(duì)稱分布。當(dāng)噴孔數(shù)增加時(shí)，軸向速度和切向速度總體上呈增加趨勢(shì)，因而，旋度沿流向的衰減程度減小，且在較小的噴孔數(shù)下，流動(dòng)在噴嘴出口附近變?yōu)檩S流。當(dāng)噴孔直徑增加時(shí)，軸向速度在遠(yuǎn)離噴嘴出口的區(qū)域

9、增大，但沿流向噴孔直徑越大，軸速的衰減越快；切向速度隨噴孔直徑的變化較復(fù)雜，其沿流向衰減較慢。因而，隨噴孔直徑的增加，在噴嘴出口附近的旋動(dòng)越強(qiáng)。
　　 6.第二噴嘴內(nèi)流線角的流動(dòng)可視化研究對(duì)所有工況來說，壁面流線角在總體上是沿流向逐漸減小的，這意味著壁面剪切的切向分量的衰減；在噴嘴出口截面上，流線以與管橫截面同心的圓向外呈順時(shí)針螺旋狀分布，這與第一噴嘴的逆時(shí)針旋向是相反的。隨噴射角度或噴孔直徑的增大，壁面流線角有減小的趨勢(shì)；但隨

10、著噴孔數(shù)或噴孔位置的增加，壁面流線角增加，特別是在同樣的噴孔總面積下，減小噴孔直徑的同時(shí)增加噴孔數(shù)會(huì)使流線角增加。
　　 7.纖維參數(shù)對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)軌跡的影響對(duì)本文所研究的纖維來說，隨著纖維剛度的增加，纖維的頭端所形成的螺旋旋轉(zhuǎn)的程度和捻回?cái)?shù)都會(huì)稍微增加，但總體而言，纖維剛度對(duì)其在噴嘴內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡影響不大；纖維長(zhǎng)度增加，柔性變形程度增加，但其捻回?cái)?shù)減少。
　　 8.纖維釋放位置對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)軌跡的影響在第一噴嘴中，纖維的釋放位置

11、離中心越遠(yuǎn)，纖維的剛性變形越大，其纏繞作用減弱，從而和近軸心處釋放的纖維形成捻差。與之相反，在第二噴嘴中，當(dāng)纖維的釋放位置遠(yuǎn)離中心時(shí)，纖維的柔性增加，包纏螺距很小，從而，能更緊的纏繞芯纖維，使紗獲得強(qiáng)力；在近軸心處釋放的纖維以剛性桿狀在噴嘴內(nèi)旋轉(zhuǎn)，是無纏繞的。
　　 9.噴嘴幾何參數(shù)對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)軌跡的影響在第一噴嘴中，隨著噴射角或噴孔直徑的增加，纖維的柔性變形程度減小，且在較小的噴射角或噴孔直徑下，纖維出現(xiàn)有/無自糾纏的卷繞變形，