噴氣紡紗噴嘴內三維旋轉氣流場及柔性纖維運動的研究.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所形成的相互反向旋轉的氣流對纖維須條施加捻度而成紗的。目前，人們對噴氣紡紗的研究主要集中在成紗機理、噴氣紗結構、各種參數(shù)對噴氣紗性能的影響上，且這些研究多是基于紡紗實驗的，有較大的局限性。事實上，噴氣紗的結構及其特性是由纖維在噴嘴內的運動規(guī)律所決定的，然而，在這方面僅有曾泳春對纖維在第一噴嘴內的運動進行了二維數(shù)值研究。而噴嘴內的高速

2、旋轉氣流是高度三維的瞬時流場；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管，因而，兩噴嘴內的流動特性是不同的，從而影響了纖維在其內的運動。
　　 基于上述原因，本文先用數(shù)值與實驗方法對噴氣紡不同噴嘴(包括有開纖管的噴嘴)內的三維旋轉流場進行研究，并討論了各噴嘴的不同參數(shù)對流場和紗特性的影響，因而，對這些噴嘴參數(shù)進行了優(yōu)化。在對流場模擬的基礎上，將柔性纖維離散成由不計質量的桿所連結的珠鏈，并認為纖維的質量以及所受

3、力都分布在珠上，而桿只起到傳遞內力和變形的作用，在考慮纖維的彎曲和扭轉變形情況下，建立其動力學方程，對柔性纖維在高速旋轉流中的運動進行模擬。本文的主要研究內容和結果如下：
　　 1.三維瞬時旋轉氣流場的模擬對所有噴嘴來說，由于氣流的反噴，在噴孔上游壁面附近會形成回流區(qū)，而在噴孔的下游會發(fā)生渦破裂。在不同噴嘴中，這些回流和渦破裂將經(jīng)歷復雜的變化。在第一噴嘴內，渦破裂是周期性變化的螺旋型破裂，且在整個周期內，渦破裂位置緩慢地向下游移

4、動，而上游回流會向噴嘴入口方向拉伸；在第二噴嘴內渦破裂由最初的泡型破裂發(fā)展為錐形破裂，且在錐形破裂的內部螺旋結構也呈現(xiàn)周期性變化，而上游回流的大小隨時間的增加先增長后減??；在有開纖管的第一噴嘴內，隨時間的增長，初時泡型渦破裂沿流向拉伸增長，進一步地，泡型破裂轉變?yōu)槁菪屏?，最后，當在噴孔的上游和溝槽臺階后的兩回流區(qū)不再變化時，螺旋型破裂呈現(xiàn)周期性衰減。
　　 2.噴嘴壓力對旋流場的影響對所有噴嘴來說，當噴嘴壓力增加時，速度增加，

5、但其增長趨勢下降。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)內向噴嘴出口方向移動，而在第二噴嘴內向噴孔方向移動。
　　 3.第一、二噴嘴幾何參數(shù)對旋流場的影響在兩噴嘴內，噴孔上游的速度和回流強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的移動是相反的，即，在第一噴嘴內向噴嘴出口方向移動，而在第二噴嘴內向噴孔方向移動。當噴孔數(shù)或噴孔直徑增加時，速

6、度會隨之增加但其增長趨勢下降；然而，渦破裂的強度和大小在第一噴嘴內減小而在第二噴嘴內卻增加。由于捻室管徑沿軸向變化不同，噴孔位置對兩噴嘴的影響明顯不同。對第一噴嘴而言，當噴孔位置變化時，其噴孔附近的速度變化不大；然而，當噴孔位于噴嘴入口附近時，較大的反噴不利于引紗。由于第二噴嘴捻室的擴散，當噴孔位置向下移動時，渦破裂的發(fā)生也移向下游。當?shù)谝粐娮斓哪硎抑睆皆黾訒r，流動變得極為紊亂。然而，在第二噴嘴內，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，速度和渦破裂的強度都減小。
　　 4.開纖管溝槽參數(shù)對旋流場的影響對于所有工況，在溝槽和捻室內的氣流旋向是相反的。溝槽高度增加時，臺階后面的角回流區(qū)的長度增大，溝槽內的初始渦環(huán)減小，并在槽底形成一個新的同向旋轉渦。當溝槽寬度增加時，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的渦環(huán)尺度都會稍微增加，然而，角回流區(qū)沿流向的尺度減小。隨著溝槽長度的增加，角回流區(qū)的大小以及溝槽內的負切向速度和渦環(huán)

8、大小都不變。溝槽數(shù)的變化對噴孔附近的速度分布影響不大，且四矩形溝槽噴嘴會產(chǎn)生較大速度和較強的渦破裂。
　　 5.第一噴嘴內旋流的PIV實驗研究PIV的流速測量表明，流速矢量以螺旋形沿流向衰減，并在螺旋內部存在低速區(qū)，且軸向速度以螺旋的中心為軸呈對稱分布。當噴孔數(shù)增加時，軸向速度和切向速度總體上呈增加趨勢，因而，旋度沿流向的衰減程度減小，且在較小的噴孔數(shù)下，流動在噴嘴出口附近變?yōu)檩S流。當噴孔直徑增加時，軸向速度在遠離噴嘴出口的區(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越強。
　　 6.第二噴嘴內流線角的流動可視化研究對所有工況來說，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針螺旋狀分布，這與第一噴嘴的逆時針旋向是相反的。隨噴射角度或噴孔直徑的增大，壁面流線角有減小的趨勢；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增加噴孔數(shù)會使流線角增加。
　　 7.纖維參數(shù)對纖維運動軌跡的影響對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的程度和捻回數(shù)都會稍微增加，但總體而言，纖維剛度對其在噴嘴內的運動軌跡影響不大；纖維長度增加，柔性變形程度增加，但其捻回數(shù)減少。
　　 8.纖維釋放位置對纖維運動軌跡的影響在第一噴嘴中，纖維的釋放位置

11、離中心越遠，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，當纖維的釋放位置遠離中心時，纖維的柔性增加，包纏螺距很小，從而，能更緊的纏繞芯纖維，使紗獲得強力；在近軸心處釋放的纖維以剛性桿狀在噴嘴內旋轉，是無纏繞的。
　　 9.噴嘴幾何參數(shù)對纖維運動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，