紡紗轉(zhuǎn)杯內(nèi)的非穩(wěn)定流動(dòng)研究.pdf

1、轉(zhuǎn)杯紡紗中，轉(zhuǎn)杯作為轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)部件，它的形狀、尺寸、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對(duì)成紗質(zhì)量有著顯著的影響。由于轉(zhuǎn)杯內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜，它的流動(dòng)狀態(tài)嚴(yán)重影響紡紗的質(zhì)量，根據(jù)前人的研究，旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)不可壓縮流動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的升高，會(huì)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(huì)隨著轉(zhuǎn)速和幾何形狀的變化而變化。但是目前轉(zhuǎn)杯內(nèi)的非穩(wěn)定流動(dòng)還沒(méi)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(shù)值模擬的方法對(duì)紡紗轉(zhuǎn)杯內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出

2、全流場(chǎng)的流動(dòng)參數(shù)，研究紡紗轉(zhuǎn)杯內(nèi)的流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。
　　首先，為了驗(yàn)證能量梯度方法對(duì)復(fù)雜流動(dòng)中流動(dòng)失穩(wěn)的適用性，利用定常三維的Navier-Stokes方程，對(duì)180°矩形截面彎管內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定特性進(jìn)行研究。按照Gauthier實(shí)驗(yàn)中的原彎管尺寸，利用三維數(shù)值模擬的方法，得出不同Re數(shù)下的全三維流場(chǎng)。運(yùn)用能量梯度理論，得到了彎管中能量梯度函數(shù)K的分布。通過(guò)與相同幾何和流動(dòng)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)K值最大的位置最先發(fā)生流動(dòng)失穩(wěn)，進(jìn)而

3、形成渦流。計(jì)算所得到的能量梯度函數(shù)K的分布特性與實(shí)驗(yàn)得到的流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)域基本一致。因此驗(yàn)證了能量梯度方法應(yīng)用于彎管流動(dòng)中流動(dòng)失穩(wěn)研究的正確性。
　　然后，利用非定常的三維Navier-Stokes方程，對(duì)紡紗轉(zhuǎn)杯圓錐室內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)中的渦破裂現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了圓錐室內(nèi)的渦破裂現(xiàn)象。對(duì)得出的全流場(chǎng)的流動(dòng)參數(shù)，運(yùn)用能量梯度方法計(jì)算出能量梯度函數(shù)K值的分布，研究渦破裂的物理機(jī)理。文中研究了三種室內(nèi)的渦破裂現(xiàn)象:帶滑移角的紡紗轉(zhuǎn)杯圓錐室

4、，普通圓錐室和圓柱室。對(duì)紡紗轉(zhuǎn)杯圓錐室的研究表明:當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定臨界值時(shí)，圓錐體內(nèi)軸線附近會(huì)形成一個(gè)速度非常低的渦破裂區(qū)域。在所研究的高徑比范圍內(nèi)，隨雷諾數(shù)的增加，渦破裂氣泡增大，其位置向遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)面的方向移動(dòng)，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(zhuǎn)杯圓錐室?guī)缀蜗鄬?duì)于圓柱室?guī)缀我种屏藴u破裂的產(chǎn)生，相對(duì)于普通圓錐室?guī)缀未龠M(jìn)了渦破裂的產(chǎn)生。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)K值最大的位置最先發(fā)生流動(dòng)失穩(wěn)。計(jì)算所得到的能量梯度函數(shù)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(duì)工業(yè)應(yīng)用中轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)紡紗通道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速和幾何參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。數(shù)值方法采用有限體積法和SIMPLE算法，計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。根據(jù)模擬結(jié)果得出了紡紗通道內(nèi)的氣流特征:氣流在纖維輸送管內(nèi)呈加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣流到達(dá)纖維輸送管出口處速度達(dá)到最大。由于纖維輸送管在轉(zhuǎn)杯內(nèi)的非對(duì)稱(chēng)性，

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