基于Fluent的三维和二维集聚纺流场模拟与分析.pdf

第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technology基于 Fluent的三维和二维集聚纺流场模拟与分析唐新军1 李菁1 曹吉强2（1.新疆工程学院，新疆乌鲁木齐，830023；2.新疆大学，新疆乌鲁木齐，830017）摘要：为了深入了解三维（3D）和二维（2D）集聚纺系统的流场差异，对两种系统的关键部件进行模型重构，分析两种集聚纺系统的结构特点；通过对 Fluent进行流场模拟，获得集聚区的气流速度分布场；通过建立关键特征面和特征线的方式，分析关键位置的气流速度变化。结果表明：3D 集聚纺系统采用更小的钳口间距，形成特殊的 3D 集聚效果；极简的集聚空间增加了气流的利用率；低负压的条件下，对稳定气流具有更好的效果。认为研究 3D集聚装置的设计思路可为集聚纺系统的再创新提供参考，后续需针对实物进行细化试验。关键词：集聚纺；集聚区；二维集聚；三维集聚；气流速度；流场模拟中图分类号：TS111.8 文献标志码：B 文章编号：1000-7415（2023）11-0015-07Simulation and analysis of three-dimensional and two-dimensional condensed spinning flow field based on FluentTANG Xinjun1 LI Jing1 CAO Jiqiang2（1.Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，830023，China；2.Xinjiang University，Urumqi，830017，China）Abstract In order to deeply understand the flow field differences between three-dimensional（3D）and two-dimensional（2D）condensed spinning systems，the key components of the two systems were reconstructed，the structural characteristics of two compact spinning systems were analyzed.Through the flow field simulation of Fluent，the airflow velocity distribution field in the condensing area was obtained.The airflow velocity changes at key positions were analyzed by establishing key feature surfaces and feature lines.The results showed that a smaller jaw spacing was adopted in 3D condensed spinning system to form a special 3D condensed effect.The utilization rate of airflow was increased with the minimalist gathering space.Under the condition of low negative pressure，better effect on stabilizing airflow was achieved.It is considered that the design idea of studying 3D condensed device can provide reference for the re-innovation of condensed spinning system，and the subsequent refinement test should be carried out for the object.Key Words condensed spinning，condensed zone，two-dimensional condensing，three-dimensional condensing，airflow velocity，flow field simulation集聚纺纱技术可纺制高品质纱线，目前国际上主要有立达（Rieter）、绪森（Sussen）、丰田（Toyota）、青泽（Zinser）这 4 种不同结构的气流式集聚纺纱系统1，其集聚原理基本相同，是将牵伸后的纤维须条吸附到集聚区表面，主要在二维（2D）平面上达到集聚效果。近几年立达公司又推出了新一代三维（3D）集聚纺技术，是在空间多个方向上对纤维进行集聚。新一代的网格圈式 3D 集聚纺技 术 表 现 卓 越，成 纱 强 度 提 高 0.5 cN/tex1 cN/tex，常发性纱疵减少 20%，节能达 60%，运营成本节省达 10%，该技术具有很好的发展前景。目前对于 2D 集聚纺技术的研究较多26，而对 3D集聚纺技术的研究较少，对其机理进行研究具有重大意义。通过参考立达公司官方网站，收集最新产品资料，本研究通过对图片进行处理，进一步反推设备集聚区的结构，对结构进行建模对比，分析两代集聚纺结构上的差异。同时，通过Fluent软件对四罗拉集聚纺系统集聚区的气流进行数值仿真模拟，得到 2D 集聚纺和 3D 集聚纺集聚区的气流运动特性和规律，对关键特征面和特征线进行分析，希望为设计更加高效的集聚纺系OSID码基 金 项 目：教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目（201902237005，2021xgyh102312）；新 疆 工 程 学 院 科 研 基 金 项 目（2019xgy172112）作者简介：唐新军(1988)，男，讲师，收稿日期：2023-05-25】【15第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technology统提供理论依据。1 3D集聚纺技术近几年立达公司推出的 3款集聚纺装置拆卸简便，可与环锭细纱机轻松配合使用，分别是提高强 力 的 COMPACTapron、减 少 毛 羽 的 COMPACTdrum、可横动的机械式集聚纺 COMPACTeasy7。COMPACTapron 是在 2019 年欧洲国际纺织机械展览会（ITMA2019）上作为未来网格圈集聚概念展出，它是立达子公司绪森推出的第二代网格圈集聚解决方案，其采用全新 3D集聚纺技术，巧妙地引导纤维通过集聚区并达到更好的集聚效果8。3D 集聚纺纱技术不仅有效提高了纱线强力，而且具有高度的灵活性，能适用于多种机器、不同原料的纺纱，安装和拆卸过程快速便捷；耗能低、使用备件减少、维护成本降低，从而降低运营成本；提升了原料制成率，例如通过降低捻度提升产量、调整混纺比、简化后道工序等方法，提高企业利润。研发 COMPACTapron 的最初目的是改善负压式集聚纺的集聚原理，从而降低能耗。主流的负压式集聚纺技术基本都是 2D集聚方式，即在网格圈、多孔胶圈或多孔吸风鼓等集聚元件表面上实现纤维的集聚。但由于纤维被吸附在集聚元件的表面，纤维实际接触的气流较少，吸附气流无法得到有效利用。COMPACTapron 改变了传统的吸附集聚方式，集聚区两钳口之间的距离极大地减小，当纤维进入集聚区时，纤维始终与网格圈保持一定距离，使纤维最大化暴露在气流中，确保所有纤维都能得到有效集聚，以起到 3D 集聚效果，有效提高成纱强力。根据 COMPACTapron 的特点，立达公司进行了系统的专利布局，在纺纱机结构、吸风槽尺寸、连接件的设定等方面做了一系列设计方案，主要特点为：优化的纤维运动轨迹，在胶辊下方距离网格圈一定距离的位置进行集聚；小钳口间距，为12 mm20 mm9；小集聚空间，是由异形吸风管、输出胶辊及罗拉组成的简易空间；短吸风槽长度，槽宽 0.3 mm3.0 mm，槽长小于 10 mm，也有资料显示在 2.0 mm5.0 mm1011；优化的连接方式，方便异形吸风管的调节安装，以同时保证气流的流畅1213。2 集聚区结构模拟分析由于 3D集聚纺技术未广泛应用，无法根据实物建模，故采用图片反推模型的方法，用 SolidWorks 软件绘制出集聚区三维模型，并对模型进行部分简化。2D 集聚区的建模参考绪森传统四罗拉网格圈式集聚纺装置，3D 集聚区的建模参考COMPACTapron集聚纺装置。2.1传统 2D集聚区传统 2D 集聚区结构示意如图 1所示，主要由前胶辊、前罗拉、输出胶辊、异形吸风管以及网格圈等组成，异形吸风管上开有一定倾斜角度的吸风槽，网格圈套在异形吸风管上。传动方式是利用前罗拉摩擦带动前胶辊，前胶辊和输出胶辊通过齿轮机构传动，输出胶辊摩擦带动网格圈运动。工作时异形吸风管内产生负压，通过吸风槽、网格圈作用在纤维上，达到集聚纤维的目的；纤维通过前罗拉和前胶辊后进入集聚区，在气流作用下吸附在网格圈上并产生一定的集聚，随着网格圈向输出钳口运动。罗拉直径为 27 mm，其他基本结构和具体参数参考宣传图片反向推导，完成模型的建立。推测影响集聚作用的关键指标，2D 集聚区吸风槽的长度约为 20 mm，前胶辊到输出胶辊的钳口间距约为 32 mm。为方便后续模型的流程分析，吸风槽设置为 22 mm1.2 mm 的直槽。2.2新型 3D集聚区结构新型 3D 集聚区结构示意如图 2所示，主要包含输出胶辊、输出罗拉、异形吸风管以及网格圈等，异形吸风管上开有吸风槽，网格圈套在异形吸风管上。3D 集聚区比 2D 集聚区少 1 个胶辊，输出胶辊的尺寸增大。传动方式是利用输出罗拉摩擦带动输出胶辊，输出胶辊通过摩擦力带动网格圈运动。3D 和 2D 集聚区都是通过气流集聚，但由于 3D集聚区的间距较小，纤维处于一定张力作图 12D集聚区示意图】【16第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technology用下，未被吸附在网格圈上，是在网格圈上方一定距离完成集聚，最后通过输出胶辊和网格圈形成的钳口输出。参考 COMPACTapron 集聚纺资料及相关专利，进行图片反向推导，建立 3D集聚区流场模型。推测影响集聚作用的几个关键指标，3D 集聚区吸风槽的长度约为 5.5 mm，集聚区钳口间距约为13 mm，约为 2D 集聚区的 2/5。为方便后续模型的流场对比分析，将吸风槽设置为5.5 mm1.2 mm的直槽。比传统的 2D 集聚区集聚槽长度缩短3/4，集聚区的气流作用空间明显减小。3 流场模拟分析3.1集聚区流场模型的建立及参数设定3.1.1集聚区流场模型的建立基于图片模拟出的 2D集聚区和 3D集聚区模型，进行抽取得到 2D和 3D集聚区流场模型，如图3 所示。选取吸风槽前端顶点作为原点，其中 X轴与前罗拉轴线重合，右侧为正方向；Y 轴与槽口方向重合，槽前向槽后为正方向；Z轴与槽口面垂直，Z轴向上为正方向。3.1.2特征线、特征面的建立为更好地分析对比 2D集聚区和 3D集聚区流场的变化，在两个集聚区的流场模型中分别建立4个特征面，如图 4所示。特征面 1在槽口的竖直方向的中间位置，正好是 YZ 平面，简写成 z；特征面 2、3、4 是垂直于槽口的面，分别对应槽口的前端（集聚快结束）、中间、后端（集聚刚开始），简写为 cq、cz、ch。为更清晰地观察纤维在集聚时受气流作用的情况，在 cq、cz、ch 特征面中分别建立如图 5 所示的 3 条基准线，分别命名为槽前线、槽中线、槽后线，记为 cqx、czx、chx，这 3 条特征线和 X 轴平行，高度设定在纤维可能的运动位置点。2D 集聚区的纤维吸附在网格圈上，所以特征线选取在吸风槽略微偏上的位置。3D 集聚区的纤维未吸附到网格圈上，而是贴近输出胶辊，所以特征线选取在距输出胶辊下方一定距离的位置。3.1.3参数的设定将绘制好的集聚区模型导入 ANSYS 软件中进行仿真模拟，网格划分采用六面体网格，对流场面进行定义，如图 6 所示，红色面是气流入口，蓝色面设置为墙体，异形吸风管未显示一端设置为气流出口。设定边界条件，气流入口为负压入口，相对压强统一设定成0 kPa；气流出口为负压出口，2D集聚纺为-2.2 kPa，3D集聚纺为-1.1 kPa（参考官方资料的能耗设定）。求解模型选择kepsilon模型，其他参数保持默认，进行数值模拟计算。图 23D集聚区示意图（a）2D集聚区 （b）3D集聚区图 3集聚区流场模型示意图（a）2D集聚区流场模型 （b）3D集聚区流场模型图 4特征面示意图（a）2D集聚区 （b）3D集聚区图 5特征线示意图】【17第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technology3.2模拟结果分析2D 集聚区和 3D 集聚区都为负压气流作用在纤维上，进而达到纤维集聚的目的。这里主要针对几个特征面和特征线的气流速度以及 X、Y、Z轴方向气流速度分量进行模拟并对比分析。模型设计时，考虑消除网格圈和吸风槽的影响进行模型简化，即网格圈未涉及，吸风槽设置成直槽。X轴方向气流分量和罗拉轴线方向相同，主要对纤维产生横向集聚的作用力；Y 轴方向气流分量沿着纤维输送方向，对纤维有一定理顺的作用；Z轴方向气流分量同集聚面垂直的方向，对纤维产生向下集聚的力。3.2.1集聚区特征面气流计算结果分析建立 4个特征面的速度云图，为方便对比 2D和 3D 集聚区的速度差异，单位均设定为 m/s；云图气流速度梯度设置保持一致，均设置为 5 m/s；云图中由冷色调蓝色到暖色调红色的过程为速度逐渐增大。2D 和 3D 集聚区特征面 2、特征面 3、特征面 4 的宽度均为 20 mm，基本按槽口对称分布。特征面 1 的速度云图如图 7 所示。速度云图中 2D 集聚区的最大速度在 60 m/s65 m/s，3D集聚区的最大速度在 45 m/s50 m/s，最大速度均集中在吸风槽的前后两端。吸风槽上方的表面速度云图颜色接近，2D 速度更高。可以看出，2D集聚区的气流速度明显比 3D集聚区大，推测主要原因之一是 3D 集聚区的负压减小了一半。但在集聚区中的流速接近，推测主要原因是 3D集聚区整体面积比 2D集聚区减小，而且入口变小。特征面 2 的速度云图如图 8 所示，其为吸风槽前端的断面速度云图。2D 和 3D 集聚区最大速度约 45 m/s50 m/s，在吸风槽位置，2D 集聚区的较大气流更加集中，3D 的吸风槽长度较短，选取的前端位置更靠近钳口，而钳口会对气流产生一定干扰。在吸风槽上方的速度云图显示，2D 集聚区相比 3D集聚区的气流具有更宽的作用区域。在异形吸风管内 2D集聚区相比 3D集聚区气流作用区域更大，对气流的利用率更低。特征面 3的速度云图如图 9所示，其为吸风槽中间的断面速度云图。2D 和 3D 集聚区吸风槽中间的速度云图和吸风槽前端相似。吸风槽上方的气流云图发生了较大变化，由于 2D集聚区上方还有一个气流入口，导致高速区域集中到槽口位置，远离槽口位置速度降低明显。3D 集聚区吸风槽中间断面位置距离钳口一定距离，减少了钳口区域的干扰，上方集聚空间依然很小，此时的气流作用区域明显增大，吸风槽两侧空间气流速度降低较小，保证了较大的气流作用范围。特征面 4 处的速度云图如图 10 所示，其为吸风槽后端的断面速度云图。2D 集聚区在吸风槽口区域的气流明显增大，但是集聚槽上方的气流速度只是集中在集聚槽中间位置，集聚槽中间断面的气流特点相似。3D 集聚区吸风槽口处的气流和集聚槽中间断面处相似，上方的集聚空间虽然有所增加，但是整个上方空间的气流作用依然平稳，吸风槽两侧空间气流速度降低较小。通过几个特征面气流的对比，由于 3D集聚区出口的负压气流设定较低，2D 集聚区的整体气流速度要大于 3D 集聚区，在吸风槽中的流速较大，但是在吸风槽上方两侧的气流速度降低较为明（a）2D集聚区 （b）3D集聚区图 6面参数设定示意图（a）2D集聚区 （b）3D集聚区图 7特征面 1速度云图（a）2D集聚区 （b）3D集聚区图 8特征面 2速度云图】【18第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technology显，无法有效利用集聚区两侧入口气流。3D 集聚区由于集聚空间上方没有气流入口，并且空间较小，吸风槽两端的气流速度降低不明显。3.2.2集聚区特征线气流计算结果分析建立 3 个特征线上的 X、Y、Z 轴方向速度分量对比图，cqx、czx、chx位置设定时考虑在纤维可能运动的轨迹点，以便分析不同方向气流可能产生的作用效果。2D 集聚区的纤维由于吸附在网格圈上，这时 Z 轴方向作用力有助于纤维竖直方向的运动，但是不利于横向运动；3D 集聚区的纤维由于处于钳口之间，集聚空间比较小，纤维基本成张紧状态，不与网格圈接触，不会受到网格圈摩擦力的影响，气流的直接作用效果更强。集聚区 X 轴方向速度分量对比如图 11所示，该速度分量主要起到纤维横向集聚的作用。2D集聚区的 cqx、czx、chx 位置的 X 轴方向速度分量曲线相似，都是在吸风槽附近时速度达到最大值，远离吸风槽速度逐渐降低，在吸风槽中间位置速度为 0 m/s；其中槽前位置的速度整体高于槽中和槽后位置，由于槽前区域的吸风槽上方集聚空间较为狭窄，可以产生更大的 X 轴速度分量。3D集聚区的 cqx、czx、chx 位置的 X 轴速度分量曲线差异较大，cqx 距离钳口位置接近，基本贴附在网格圈上，所以与 2D 集聚区的速度曲线基本相似。但远离槽口位置的流速降低较快，czx和 chx的曲线更加平缓，这两条线的位置距离吸风槽口一定距离，贴近输出胶辊，速度约为 5 m/s，吸风槽口附近的气流速度低于 2D集聚区，推测主要原因是纤维距离吸风槽口距离增加造成。集聚区 Y 轴方向速度分量对比如图 12所示，Y 轴方向的速度分量是沿着纤维运动方向，在一定程度上可以达到一定的梳理顺直的效果，利于纤维输送。2D 集聚区的 cqx、chx 的 Y 轴方向速度分量曲线相似，槽口附近速度快，槽口远端速度慢；czx 由于其上方对应有另外一个气流入口，此时该速度槽口附近的速度明显降低，速度曲线槽口附近和远端 Y 轴速度分量接近。3D 集聚区cqx、czx、chx的 Y 轴速度分量曲线相似，槽口附近速度大，远端逐渐减小，受到集聚空间的影响，速度由大到小为吸风槽前端、中间、后端，在槽口附近有较为平稳的 Y轴速度分量的气流作用。集聚区 Z 轴方向速度分量对比如图 13所示，Z 轴方向的速度分量是沿着纤维厚度方向，在 2D集聚纺中的作用更加偏向于纤维的吸附，阻止纤维四散，增强聚集效果。在 3D集聚纺中的作用更加偏向形成一定的张力集聚作用。2D 集聚区的（a）2D集聚区（b）3D集聚区图 9特征面 3速度云图（a）2D集聚区 （b）3D集聚区图 10特征面 4速度云图（a）2D集聚区（b）3D集聚区图 11X轴速度分量对比】【19第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technologycqx、czx、chx的 Z 轴速度分量曲线规律基本一致，吸风槽中间位置速度最大，吸风槽附近有较大的速度，远离吸风槽范围速度明显降低。其中 czx上方有气流入口，更加有利于 Z 轴速度分量的提高，其槽中心的速度比 cqx 和 chx 槽中心速度大，接近大 1/3。3D 集聚区由于 cqx、czx、chx 的位置相对更加靠近输出胶辊，Z 轴速度分量整体明显要比 2D 集聚区的速度要小，特别是 czx 和 chx 在槽口位置的速度差异较大，槽口附近的速度降低明显，不到 cqx位置的 1/3。通过几个特征线上不同方向速度分量的对比，从整体流速上看，2D 集聚区的 X 轴、Z 轴速度分量在吸风槽周边的速度明显要高于 3D集聚区，3D 聚集区的 X轴速度分量在 czx、chx位置速度较为平稳，没有较大变化。2D 集聚区的 Y 轴速度分量受到集聚区入口的影响，在槽前和槽中位置不如 3D 集聚区的速度，特别是在槽中时，Y 轴速度分量接近 0 m/s。通过流场分析，3D 集聚区的速度分量并不高，不过气流速度相对平稳，其中 Y 轴的气流速度分量相比 2D 集聚的速度分量更加统一，推测这是导致 3D集聚纺强力高的原因之一。4 结论结合官方介绍资料，基于计算机仿真模拟技术，对 2D集聚装置和 3D集聚装置结构进行建模，对比主要机构的结构差异，通过流场模拟分析集聚区内部流场的速度分布，得出以下结论。（1）3D 集聚装置与 2D 集聚装置相比结构明显简化，其将 2D集聚装置的前胶辊和输出胶辊组合简化成一个超大的输出胶辊，可降低损耗、减少维护保养成本。（2）3D 集聚区钳口间距较短，吸风槽产生的集聚力不能将纤维吸附到网格圈表面，而是形成张紧状态，这改变了传统 2D集聚区集聚纤维的运输方式。（3）3D 集聚区集聚空间明显缩小，钳口间距约为 2D 集聚区的 2/5，上方不再有气流入口，集聚槽的长度明显缩小，约为 2D 集聚区吸风槽的1/4，极大地减少了气流的作用空间。（4）流场模拟结果中，3D 集聚区在负压降低50%的条件下，整体流速相比 2D 集聚区有所降低，但气流速度更加一致。在纤维的可能集聚位置，X 轴速度分量降低，但较为平稳，Y 轴速度分（a）2D集聚区（b）3D集聚区图 12Y轴速度分量对比（a）2D集聚区（b）3D集聚区图 13Z轴速度分量对比】【20第 51 卷 第 11 期2023 年 11 月Cotton Textile Technology量相对一致并保持稳定，Z轴速度分量降低明显。（5）3D 集聚装置可以实现低能耗、高强力，推测主要是因为须条在一定张力条件下为三维集聚，并采用优化的集聚空间，使气流利用率有效提高。3D 集聚装置的设计思路为集聚纺系统提供了新的可能，有待进一步探索。由于模型绘制采用图片反向推导的方式，部分数据不够精准，后续可配合实物进行细化试验。参考文献：1KHAN M K R，BEGUM H A，SHEIKH M R.An overview on the spinning triangle based modifications of ring frame to reduce the staple yarn hairinessJ.Journal of Textile Science and Technology，2020，6（1）：19-39.2SATY M Y，AKANKWASA N T，WANG J.Three-dimensional simulation and experimental investigation of 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N.用于纺纱机的牵伸系统的压实装置以及纺纱机：202080041181.6 P.2022-03-01.13 布兰肯霍恩 P，沙夫勒 G，斯托普 N.一种纺纱机的压紧装置：202180029765.6 P.2022-12-02.】【21