基于IB--LBM的氣流--纖維耦合運(yùn)動數(shù)值模擬.pdf

1、氣流-柔性體耦合現(xiàn)象廣泛存在于氣動型紡織領(lǐng)域，用數(shù)值方法對流-固耦合現(xiàn)象進(jìn)行模擬，是除理論和實驗方法以外的第三種，也是現(xiàn)如今最為常用的方法。然而由于纖維、紗線等柔性體具有大長徑比，高柔性的特點，使得其在氣流場中會產(chǎn)生大變形和大位移。傳統(tǒng)基于貼體網(wǎng)格的流-固耦合數(shù)值方法難以有效地對其運(yùn)動進(jìn)行模擬。
　　本文通過建立高效、低計算成本、不依賴貼體網(wǎng)格的氣流-纖維兩相耦合數(shù)值模擬方法，即基于動量交換(Momentum exchange)的

2、浸入邊界-格子Boltzmann方法(IB-LBM)，來探究在低雷諾數(shù)下柔性纖維在漸縮型流道內(nèi)的運(yùn)動特性，嘗試性地將IB-LBM引入到紡織研究領(lǐng)域，希望能為高性能轉(zhuǎn)杯紡紗器的研究和高效高質(zhì)成紗帶來一些啟發(fā)。
　　本文首先對纖維運(yùn)動進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后簡單介紹了所采用流-固耦合方法-IB-LBM的基本原理，主要公式，以及格子單位和物理單位的轉(zhuǎn)換。接著通過兩個算例來驗證了編寫的算法程序分別對剛性不可變形浸入邊界和柔性可變形邊界計算的準(zhǔn)確

3、性。再接著對轉(zhuǎn)杯紡紗器流道進(jìn)行二維簡化，采用LBM探究了輸棉通道氣流進(jìn)入旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)杯后的流場情況，為纖維伸直輸送理論提供理論支持以及為后續(xù)纖維出了輸棉通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯的運(yùn)動提供預(yù)測。最后采用IB-LBM方法數(shù)值模擬了單根纖維在轉(zhuǎn)杯紡輸棉通道內(nèi)的運(yùn)動，并探究了梳棉通道漸縮度和纖維初始形態(tài)對其輸送的影響，得到以下幾個有關(guān)纖維輸送的結(jié)論:
　　1).IB-LBM方法可以在保證一定精度的基礎(chǔ)上，有效處理剛性圓柱邊界和具有大變形柔性邊界的流-固耦合

4、問題，可以有效應(yīng)用到氣動型紡織領(lǐng)域。
　　2).漸縮型的輸棉通道有助于提高纖維的輸送效率，且漸縮度tanα越大，纖維到達(dá)出口處所需要的時間越短。
　　3).初始以完全伸直狀態(tài)進(jìn)入輸棉通道的纖維，無論輸棉通道的漸縮度如何變化，其在輸送過程中，能基本保持伸直狀態(tài)輸送。
　　4).初始形態(tài)為波浪形的纖維在不同漸縮度的輸棉通道內(nèi)的輸送情況有所區(qū)別，對于漸縮度較大的輸棉通道內(nèi)，纖維輸送過程中能保持相對較為伸直的輸送。因此提高輸棉