摘要  通过建立流体动力学模型，对多孔辊筒紧密纺纱系统集聚区流场进行模拟，分析槽宽、内胆负压、导流块对集聚区流场运动的影响。研究表明：多孔辊筒紧密纺纱系 统是利用负压效应来产生集聚气流；内胆空气负压小时，抽气管出口速度大；吸风斜槽不同宽度和不同负压对气流集聚产生不同的集聚效果；紧密纺纱装置有导流块 比无导流块的集聚效果好。经对比，数值模拟和实验结果得到了比较一致的结论，为气流聚集型纺纱装置的应用提供了可靠的理论依据。

      近年来，气流聚集型纺纱装置在纺织工业生产中得到越来越广泛的应用。紧密纺在减少毛羽的同时提高纤维在纱体中的利用系数，纱线有较好的物理机械性能，纱线强力高^[1-5]。根据紧密纺对纤维须条不同的凝聚方式，将其装置分为多孔网格皮圈式，打孔网格皮圈式，多孔辊筒式。国内多位专家及学者^[6-9]主要对网格圈紧密纺纱装置集聚区气流进行了研究，高金霞等^[10]通 过Matlab软件对纤维在多孔辊筒紧密纺集聚区的运动轨迹进行了分析。本文选取多孔辊筒和辊筒内带长槽的异形截面紧密纺纱系统作为研究对象，分析槽宽、 内胆负压、有无导流块对多孔辊筒集聚区流场运动的影响，并与实验对比，为多孔辊筒聚集型纺纱装置的合理设计提供理论依据。
1、数值模拟
1.1 多孔辊筒紧密纺纱原理

图1多孔辊筒紧密纺纱系统
      图1为多孔辊筒紧密纺纱系统图。在细纱机罗拉轴上安装一个直径f40 mm的多孔辊筒，多孔辊筒表面分布了很多f0.8 mm的微小通孔，内部装有一个抽气系统，通过内部抽气使辊筒表面产生一定负压。当纤维束到达前罗拉轴和辊筒之间微小间隙区域时，在多孔辊筒表面负压作用 下，纤维束将被吸附到辊筒表面并随辊筒运动。由于辊筒表面线速度高于前罗拉表面线速度，纤维束将被进一步牵伸和伸直，同时在此运动过程中纤维束的宽度将在 多孔辊筒表面凝聚负压作用下被收缩，从而可基本上消除加捻三角区。纤维束在离开辊筒和下皮辊握持线后被加捻，形成纱线。

1.2  数值计算
      根据Re=Vd_H/V（V为截面平均速度，d_H为水力直径，v为流体运动黏度），计算所得雷诺数20000-50000，所以该流动是湍流。气流聚集型纺纱装置实际工作气流状态比较复杂，在研究中做了一定的简化假设：不考虑热交换，采用静边压，假设罗拉静止不动，只研究单向耦合问题^[11]。根据M=V/C（c为音速），算得马赫数，所以该流场处于亚音速流动状态，采用密度加权的平均方程和雷诺应力模式相结合，可以较好地预测可压缩湍流平均运动。
根据多孔辊筒聚集型纺纱系统气流区特征，在gambit中建立气流区简化图，见图2。建立模型时，所取单元类型为FLUID5/6。本文在气流区采用网格单元是Tet/Hybrid，假定内管壁光滑，气体对管壁冲击影响不计，常温常压，斜槽倾角为12°。

                                                                 图2流场模拟区域

在边界条件设置时，考虑到多孔辊筒表面是流场的进口，且流量和速度未知，因此采用压力进口边界条件，入口压强为1.01325×10⁵ Pa；抽气管出口为压力出口。

      由于上式中雷诺应力式为不封闭项，针对气流聚集型纺纱装置气流区特征，选取k -ε方程湍流模型来完成控制方程的封闭。封闭方程如下：

      式中是常数，摩擦系数是壁面剪应力的特征量。
      控制方程的离散采用一阶迎风格式：

      目前算法主要有SIMPLE，SIMPLER，SIMPLEC，PISO等，但SIMPLE不仅适用于交错网格，还可用于可压缩流场和非结构网格的数值计算，故本文选用SIMPLE算法。
2、结果与分析
2.1  内胆负压对气流的影响
      内胆空气负压小时，抽气管出口速度大。当槽宽为2.5 mm，出口速度分别为5m³/h，7m³/h，9m³/h时，多孔辊筒XZ面的气流速度分布见图3。
      吸风斜槽S1端（Z=17.5mm～20.0mm）为纤维须条输出端。由图3(a)可以看出，出口速度较小时，斜槽S1端气流集聚效果不好；随着速度增 加，气流的吸附作用加强，斜槽中心线两边因气流流动产生横向气流力，吸风斜槽右侧的速度分量大于左侧，右侧的气流沿着斜槽方向有向左侧运动的趋势，使得纤 维集聚到斜槽S1端，集聚效果较好且基本消除加捻三角区，见图3(b)；但当气流速度过大时，纤维被吸附在滚筒表面，摩擦力大，且耗电量大，同时增加了纺 纱成本，集聚效果并无明显改善，见图3(c)。

2.2  气槽宽度对气流的影响

  为了方便与实验结果对照，槽宽参数的选择是以纯棉14.6 tex紧密纱的实验参数为基准，研究不同槽宽对集聚效果的影响。当内胆空气负压为7m³/h，槽宽分别为2 mm，2.5 mm，3 mm时，吸风斜槽入口上方压力分布见图4。
      由图4可以看出，吸风斜槽宽度为2.5mm时，气流集聚效果较好。槽宽过小，集聚纤维少，见图4(a)，且部分纤维不沿吸风斜槽运动，使未被气流控制的纤 维增加，纱线条干变差；槽宽过大，横向跨度较大，纤维须条运行路线偏移量较大，气流吸附作用不够，集聚效果较差，见图4(c)，因而可以通过模拟结果选择 最优槽宽，不同粗细的纱线，最优槽宽的选择是不同的。

2.3　有无导流块效果比较
      当内胆空气负压为7m³/h，槽宽为2.5 mm时，在有导流块和无导流块时，吸风斜槽不同位置速度分布见图5。
由图5(a)可知，有导流块的装置在吸风斜槽表面的速度总体大于无导流块装置，故在相同抽气速度条件下，更有利于提供足够的负压，即有导流块装置的气流集 聚比无导流块装置气流集聚效果好。由于导流块装置的作用，气流从多孔辊筒与导流块两侧空隙被吸风斜槽吸入，使纤维束更好地受负压气流压缩与控制；无导流块 的装置，气流从多孔辊筒表面吸入，正压力大，使纤维难沿着吸风斜槽方向做横向运动，集聚效果较差。由图5(b)可知，在须条宽度方向上受到气流作用力不 等，有导流块装置在靠近吸风斜槽S1端宽度方向速度差异较大。

2.4  实验结果对比
      将A512型环锭细纱机改造成紧密纺纱机，按表1的方法，在同一条件下纺成纯棉14.6 tex的紧密纱,研究其槽宽、抽气量及有无导流块对纱线性能的影响。

      由表1可以看出，抽气量7m³/h，槽宽为2.5mm时，所纺纱线的性能好，即集聚效果较好。有导流块装置纺成的纱 线比无导流块纱线的毛羽少，强度高，条干好，故有导流块装置比无导流块装置集聚效果好。综上所述，气流聚集型纺纱装置的气流场数值模拟结果与实际情况比较 吻合，在理论上阐明了纤维在流场中的运动规律。

3、结论
      1. 吸风斜槽宽度过小，纤维不能很好的沿着斜槽运动；吸风斜槽宽度过大，气流对纤维吸附作用不足，应根据不同粗细的纱支，选择合适的槽宽。
      2. 内胆空气负压小时，抽气管出口速度大，集聚效果好；但速度过大，摩擦力大，未被气流控制的纤维增加，集聚效果变差，同时增加了纺纱成本。
      3. 对于纺纯棉14.6 tex的纱线，当斜槽倾角为12°，出口速度为7m³/h，吸风斜槽宽度为2.5mm时，集聚效果较好。
      4. 有导流块集聚装置气流集聚效果比无导流块装置集聚效果好。