史倩倩， 王 姜， 张玉泽， 林惠婷， 汪 军,3

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 泉州师范学院 纺织与服装学院，福建 泉州 362000； 3. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

转杯纺[1]是一种利用气流来驱动纤维进而加捻成纱的纺纱技术，其凭借生产流程短、成本低、产量高以及自动化程度高等优势发展成为目前应用面较为广泛的新型纺纱技术之一[2-4]。气流作为转杯纺纱中纤维输送的媒介，其对纤维形态以及纤维运动的影响至关重要，基于此，相关学者借助流体力学对转杯纺纱器中的气流特征进行了研究。Kong等[5]通过建立转杯纺输纤通道的二维计算模型模拟了输纤通道中的气流特征，发现气流特征随输纤通道几何结构以及分梳辊转速的改变而变化，从而影响纤维的形态。Yang等[6]对输纤通道和旋转转杯中的三维气流特征进行模拟发现，旋转转杯中会生成涡流，且气流速度在滑移面上会降低，同时在滑移面上以及转杯凝聚槽上分布有高压区。

转杯纺纱机在正常工作时，其纺纱器中的气流场主要由2种作用机制控制，即气泵的抽气机制和转杯的旋转机制。正是基于这2个作用机制在转杯纺纱器中才能形成合适的气流场，从而实现纤维的输送、转移和凝聚。目前已有关于这2种作用机制对转杯纺纱器中气流场影响的研究：Xiao等[7]研究了转杯速度对气流的影响，发现气流特征会随转杯速度的改变而变化；Lin等[8-9]发现较低的转杯速度会在杯中产生较多的涡流，而较高的转杯速度则会造成较多的纱线断裂，且对转杯出口压力的研究表明适当降低转杯出口压力有利于纱线的成形。上述研究虽已探索了转杯出口压力和转杯旋转速度对转杯纺纱器中气流场的影响，但并未探索抽气机制和旋转机制对转杯纺纱器中气流场形成的作用。

基于转杯纺纱器工作时所需的2种外界作用机制，本文设计了3种工况，并借助计算流体动力学方法对3种工况下转杯纺纱器中的流体域进行数值模拟，从而分析转杯纺纱器中气流场的形成机制，为后续转杯纺纺纱参数的设计和优化提供理论参考。

1 工况设计

图1示出抽气式转杯纺纱器示意图。实际工作时，转杯纺纱器的抽气孔会连接气泵，从而将纺纱器中的空气抽出，而转杯中的气体也会由杯口出气口流出，同时新的气体会由输纤通道入口和引纱通道入口补入，从而实现纺纱器中气体的持续流动。与此同时，转杯在轴承和电机的带动下高速旋转，从而形成转杯纺纱器中特定的气流场以及加捻环境。

图1 转杯纺纱器示意图Fig.1 Schematic diagram of rotor spinning unit

由上述转杯纺纱器工作机制可知，转杯纺纱器在工作时主要受2种外界作用机制控制：一是气泵的抽气机制，其会在转杯口产生抽气作用从而将转杯内部气体抽出；另一个是旋转机制，即在轴承和电动机带动下转杯会高速旋转。为探索这2种外界作用机制对转杯纺纱器气流场形成的作用，本文设计了3种工况，如表1所示。其中工况1和3中的气泵工况功率相同，且转杯出口负压是利用电子负压表在对应的实际工况下测量得出。

表1 工况设计Tab.1 Operating conditions design

2 模型建立与数值求解

2.1 模型建立

图2示出转杯纺纱器计算域的几何模型图。图中转杯出口高度h为2 mm，引纱通道直径d1为 3 mm， 转杯直径D为54 mm，滑移角θ为68°，其余结构参数：H1为16 mm；H2为11 mm；d2为10 mm。

图2 计算域几何模型图Fig.2 Dimensions of computational domain

2.2 控制方程

转杯纺纱器中的气流流动可视为不产生热交换且不可压缩的黏性湍流流动[5, 8, 10]，故该系统的控制方程仅需考虑质量守恒方程(1)和动量守恒方程(2)， 具体表述如下：

div(ρu)=0,

(1)

(2)

式中：div表示散度运算；ρ为气流密度，kg/m3；u为气流速度矢量，m/s；ui为u在xi方向上的分量，m/s；t为时间，s;μ为空气动力黏度，Pa·s；grad表示梯度运算；p为气流静压，Pa；Si为xi方向上的广义源项。考虑到转杯纺纱器中的湍流流动雷诺数较大，本文中采用Realizablek-ε模型[11]来进行湍流的数值运算，并在近壁面处采用壁面函数进行处理。

2.3 网格划分和网格独立性验证

本文通过ICEM CFD 15.0对计算域几何模型进行网格划分，采用非结构化四面体单元，并对计算域中流体变化较大的区域进行网格细化。网格划分对数值计算精度和计算效率也有影响。为消除该影响，本文划分了3种网格，网格单元分别为833 936(网格1)， 1 180 164(网格2)， 1 640 370(网格3)，并进行了网格独立性检验，其结果如图3所示。由图可知，基于这3种网格得到的速度分布规律及数值较为接近，综合考虑计算精度和计算效率，本文采用网格2进一步模拟计算，所划分的计算域网格如图4所示。

图3 3种网格的独立性验证Fig.3 Mesh independency test for three different grid schemes: velocity magnitude. (a) Along X-axis at y=10 mm; (b) Along Y-axis in direction of center axis of transfer channel

图4 计算域网格划分及边界条件示意图Fig.4 Meshed model and boundary conditions of computational domain

2.4 边界条件和数值求解

因转杯纺纱器在工作时由分梳辊向输纤通道输送纤维，在该过程中气流亦由分梳辊流入，故将输纤通道入口设为速度入口边界，3种工况下该入口速度分别为27.50、3.90、28.10 m/s。因引纱通道口与外界大气相通，故引纱通道口设为压力入口，其值为标准大气压(1.01×105Pa)。由上述内容可知，转杯出口处的间隙即为压力出口，3种工况下该值与表1相同，并且计算域模型中的固体壁面均采用无滑移边界条件，工况2和3中的转杯壁面为旋转壁面，旋转速度即为转杯转速。

本文基于计算流体动力学软件Fluent用有限体积法来求解控制方程，并用商业CFD软件ANSYS 15.0 运行模拟，采用SIMPLE计算方法以及二阶迎风格式求解守恒方程。

3 结果与讨论

3.1 气流场速度分布

图5为3种工况下转杯纺纱器中的气流场速度矢量分布图。由图可看出，在工况1(只抽不转)中，气流进入输纤通道后不断加速，最大速度出现在输纤通道出口处，之后气流继续沿输纤通道方向前进，并直接与转杯壁面发生碰撞，且碰撞后，气流自碰撞壁面处一分为二，分别以顺时针和逆时针方向沿转杯壁面继续流动，但在流动过程中速度不断降低。在工况2(只转不抽)中，气流进入输纤通道后并无大幅度加速，由输纤通道出口出来的气流先是沿转杯旋转方向流动，并不断加速，在到达转杯壁面时速度达到最大，且转杯壁面外径越大处的速度值越大。同时在转杯高速旋转产生的离心力以及气流和壁面的摩擦力作用下，越靠近转杯壁面的气流流动越明显且气流速度越大。而靠近转杯中心轴的气流较少且气流速度较低，而在工况3(既抽又转)中，气流在输纤通道中的流动特征同工况1相同，即气流一进入输纤通道后就开始不断加速，从而实现对纤维的输送，同时在输纤通道出口处速度达到最大值。由输纤通道流出后，气流并未与转杯壁面直接发生碰撞，而是沿转杯旋转方向向转杯壁面流动，且该处气流并没有产生分支。此气流流动特征有利于纤维向转杯滑移面的转移以及纤维的有序排列。同时在转杯高速旋转产生的离心力以及气流和壁面的摩擦力作用下，气流有向壁面流动的趋势，该特征有利于悬浮在转杯中的纤维向转杯滑移面转移并向凝聚槽集聚。

图5 3种工况下气流场速度矢量分布图Fig.5 Velocity vector distribution of airflow field in master view (a) and bottom view (b)

由上述3种工况下气流速度矢量的分布特征可看出，工况3的输纤通道中气流流动特征主要由转杯口的抽气作用决定，但其气流最高速度(160 m/s) 大于抽气作用机制单独运作时的气流最高速度(149 m/s)， 说明工况3的最大气流速度是由转杯口的抽气作用和转杯高速旋转作用叠加产生的。出输纤通道后，气流沿转杯旋转方向流动也表明该处的气流流动明显受到转杯的旋转作用的影响。综上可以看出，转杯纺纱器在正常工作时其内部气流场速度分布特征是由这2种外界作用机制共同决定的。

3.2 气流场静压分布

图6示出3种工况下转杯纺纱器中的气流场静压分布图。由图可知，工况1中的转杯内负压环境相对较为均匀，但在输纤通道出口所对的转杯壁面上出现明显的局部高压区，这是由于在转杯出口抽气作用下，气流与转杯壁面发生碰撞而形成的。工况2中的气压分布明显与工况1不同，转杯内部的气压几乎成均匀环状分布，未在转杯壁面上形成明显的局部高压区，说明由输纤通道进入转杯的气流未与转杯壁面发生碰撞，且气流由转杯出口均匀流出。工况3的气压分布特征同工况1相似，但输纤通道出口所对转杯壁面上的局部高压区梯度相较工况1中的局部高压区梯度偏少，说明工况3中气流与转杯壁面的碰撞相较工况1中的碰撞作用偏弱，与上述该处气流沿转杯旋转方向流向壁面相符；工况3中的最大负压绝对值为13 300 Pa，大于工况1中的最大负压绝对值12 200 Pa，说明工况3中的气压分布也受转杯旋转机制的作用。

为进一步了解3种工况下转杯内部静压分布情况，本文对y=10 mm处X轴上的静压值进行了提取和分析，结果如图7所示。可看出，工况3所对应X轴上的压力值分布趋势同工况1中相应的压力值分布趋势相似，而工况2中的压力绝对值明显小于另2种工况，说明由转杯旋转机制产生的负压较小，但工况3中的压力绝对值基本均大于工况1中的对应值，再次表明工况3中的气压分布也受转杯旋转机制的叠加作用。

图6 3种工况下气流场静压分布图Fig.6 Air pressure distribution of airflow field in case 1(a), case 2 (b) and case 3 (c)

图7 3种工况下y=10 mm处X轴上气压分布Fig.7 Air pressure distribution of airflow field along X at y=10 mm in 3 cases

4 结 论

本文通过数值模拟的方法对3种工况下转杯纺纱器的气流场速度分布和压力分布特征进行了分析，探究了转杯纺纱器中抽气机制和旋转机制对纺纱器中气流场形成的作用。得出如下结论：

1)转杯纺纱器在正常工作时的气流场是在其抽气机制和旋转机制共同作用下形成的。在转杯口的抽气作用主导下，气流自输纤通道流入后不断加速，在输纤通道出口处速度值最大。随后在转杯的旋转作用下，气流顺转杯旋转方向流向转杯壁面。转杯中的负压环境整体分布较为均匀，但在输纤通道出口所对的转杯滑移面上存在局部高压区。

2)转杯口的抽气作用为纤维在纺纱器中的输送提供了必要的气流速度和负压条件，转杯的旋转作用为纤维向转杯滑移面的顺利转移和纤维在滑移面上的有序排列以及向凝聚槽的凝聚提供了保障。