![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响.pdf
《输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 32 卷 第 3 期2024 年 3 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.3Mar.2024DOI:10.19398j.att.202308011输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响王 进1,程贺棚1,李 帅1,卢 贺2,崔永志2,千翠娥2,于贺春1(1.中原工学院机电学院,郑州 450007;2.恒天重工股份有限公司,郑州 450000)摘 要:纤维输毛管的设计对粘胶纤维或 Lyocell 短纤维丝束的开松效果至关重要。为了探究纤维丝束在输毛管中的开松机理以及管道内流场状态对纤维运动状态的影响,采用三维建模软件建立输毛管流场模型
2、,在商用软件 Cradle CFD 中建立纤维丝束模型结合流场进行耦合计算,研究分析了 2000 根长度为 38 mm纤维丝束在输毛管中的运动过程。结果表明:在输毛管中纤维丝束受到流场作用的差异形成了纤维丝束运动的速度差,这是纤维丝束开松的主要原因;输毛管的竖直圆形管道处存在较大的压力梯度,使纤维丝束整体受到压力差异,也为纤维开松创造条件;输毛管的锥型管位置处的速度场较复杂,有利于纤维丝束开松;管径的变化导致产生漩涡,阻碍了纤维的输送。研究结果可为化纤与纺织行业输毛管设计提供参考。关键词:输毛管;流场模型;Cradle CFD;纤维丝束;开松中图分类号:TS152.8 文献标志码:A 文章编号
3、:1009-265X(2024)03-0029-09收稿日期:20230808 网络出版日期:20231025基金项目:国家自然科学基金项目(51875586);“纺织之光”基础研究项目(2017104,2019067)作者简介:王进(1991),女,河南新乡人,讲师,主要从事纺织机械设计方面的研究。通信作者:于贺春,E-mail:yuhechun1106 在化纤行业中,粘胶或 Lyocell 短纤维的开松处理是纤维成品前的一道重要工序,而开松处理设备通常选用输毛管。输毛管将经多台切断机切断的束状粘胶或 Lyocell 短纤维开松冲散,并输送到给纤槽和精炼机,利于给纤槽均匀铺毛、加强精炼机淋洗
4、效果,提高纤维成品品质。然而,传统的输毛管主要起输送作用,对开松纤维要求不高1。探索束状纤维在输毛管中的开松机理及管道内流场状态对纤维运动状态的影响,对促进输毛管管道结构合理化设计,提高纤维开松效果至关重要。随着计算流体力学技术的发展,目前含纤维流场的计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)模拟在纺织领域受到广泛关注。钱成等2通过单向耦合方法对集聚纺集聚区内流场分布及纤维运动轨迹进行了模拟,结果发现相比于四罗拉积聚纺,全聚纺内纤维聚集较为均匀,只有少量缠绕。邓茜茜等3通过比较输棉通道不同位置时转杯纺纱通道内气流分布特征及纤维运动轨迹的差异,分析了不同工
5、况下的气流分布特征和流场对纤维运动的影响。林惠婷等4采用数值模拟和实验相结合的方法研究转杯纺纱通道内的气流流动特性、气流流动与纤维运动形态的关系,进而对纺纱器结构和纺纱工艺参数进行优化设计。Chen 等5使用转杯中的纤维的粒子模型来探索影响粒子在凝聚槽内运动的因素,给出了纤维粒子运动的数学模型。Yang等6利用流体动力使平行于输送它们的主流体的单根纤维对齐,基于在近乎无旋流中使用收敛流线来提供必要的力矩来使纤维旋转,将纤维运动和气流流向进行了耦合计算。Hamedi 等7研究具有不同取向角度、长度和柔韧性的单个纤维在单个圆柱形物体周围的行为,结果表明纤维的初始取向角对纤维与圆柱体接触时的柔韧性和
6、形状有影响。杨瑞华等8通过 Fluent 和 EDEM 模拟了纤维在转杯纺纱通道内的运动状况,分析了 1 mm 和 16 mm 纤维在转杯内的运动特征。韩万里等9通过数值模拟和实验验证相结合验证了纤维在熔喷气流场中的运动轨迹,发现纤维成形过程中出现连续的半环形牵伸圈、鞭动对纤维细化有重要影响。目前国内外有关纤维运动的研究多集中在流场对单纤维运动状态的影响,而关于含大量纤维的纤维丝束在流场中的运动状态的研究尚少,因此开展流场对纤维丝束的开松影响的研究具有愈发重要的意义。综上所述,本文通过建立输毛管流场模型和纤维模型,利用流体仿真软件 Cradle CFD 对纤维丝束在输毛管流场中的运动过程进行耦
7、合计算,比较输毛管不同位置处流场的分布特征及不同时刻下纤维运动轨迹,探究纤维丝束在输毛管中输送时的开松机理,以及输毛管内流场状态对纤维运动的影响。本文研究可以为化纤与纺织行业输毛管设计提供参考。1 输毛管流场模型构建1.1 几何模型利用三维建模软件建立的研究对象模型如图 1所示,输毛管模型主要为竖直圆形管道 L1,水平圆形管道 L2、L3,长度分别为 l1、l2、l3;U 型管道 U1;圆锥管 C1;弯管 W1、W2。模型参数:竖直圆形管道 L1管径 D1为 200 mm,长度 l1为 1000 mm;水平圆形管道 L2、L3管径 D2为 300 mm,长度 l2为 2000 mm,l3为 2
8、000 mm;圆锥管 C1的小孔径为 D1、大孔径为D2,长度 l4为 200 mm;U 型管是半径为 500 mm 的半圆,弯管 W1、W2曲率半径为 200 mm。1.2 系统描述输毛管流体输送系统遵循三大守恒定律:质量守恒、动量守恒、能量守恒。本文研究暂不涉及温度变化对输毛管输送纤维的影响,所以输毛管中流场输送满足方程(1)即可:t+div(u)=0(1)输毛管中的液体介质流动为不可压缩流体,因此密度 不随时间变化,式(1)可以变化为:div(u)=0(2)(ui)t+div(uui)=div(gradui)-pxi+Si(3)式中:t 表示时间;u 表示流体速度矢量;ui(i=1,2,
9、3)表示 u 在坐标分量 xi(i=1,2,3)方向上的分量;表示粘度系数;p 表示压力;Si表示 xi方向上的广义源项。流场采用瞬态,压力求解器,RNG k-湍流模型及壁面函数法进行计算,对流项采用二阶迎风格式离散,用基于 SIMPLEC 的 PISO 算法对流场进行求解。1.3 网格模型和边界条件Cradle CFD 前处理可以对导入的管道三维模型进行网格划分,由于计算的流体区域较为规则,所以对整体区域直接进行网格划分,整体采用六面体结构网格,并且对管道边缘的管壁区域进行网格细化。图 2(a)所示为 Cradle CFD 对模型进行网格划分前的八分木模型,图 2(b)所示为管道模型网格划分
10、后的模型。图 1 管道模型Fig.1 Pipe model图 2 网格划分Fig.2 Grid division 边界条件设置:对于进口边界,根据实际工程需要,该输毛管入口的流体入流条件设置为速度入流1 ms;对于出口边界设置为静压出流-自然流出;对于固体边界,管道壁面采用无滑移边界条件。03现代纺织技术第 32 卷2 纤维模型的建立2.1 动力学方程纤维作为长径比大的柔性体,与普通刚性体相比,其物理特征相对比较复杂,不仅考虑纤维自身的弯曲变形,还要考虑其空间位移变化。为了表示纤维在运动过程中所展现出的柔性特征,Cundall等10提出离散元法(DEM)对不连续材料的运动进行求解分析。在离散元
11、法中,将不连续材料表示为固体粒子的集合体,并根据牛顿第二定律求解每个粒子的运动方程,以此表示不连续材料的流体运动。纤维粒子动力学方程表示为:mid2ridt2=Fb+FD(4)式中:mi表示粒子 i 的质量;ri=xi(t)i+yi(t)j+zi(t)k表示粒子 i 在流场中的位置;Fb表示粒子 i 受到的弯曲恢复力;FD表示粒子 i 在流场中受到的阻力。根据粒子在流场中的动力学方程,得到不同时间粒子的流场位置,即纤维在流场中的运动轨迹。纤维在输毛管中与流体的耦合运动,可以视为纤维的质量和受力全部集中在球状粒子上,球状粒子在输毛管流场中的空间位置变化即代表着纤维在输毛管流场中的运动。如图 3
12、所示,本文通过将多个大小相同的粒子通过一维连接成弦状来表示纤维这种长径比和变形比较大的纤维模型,其相邻粒子之间的联结被看作由一个弹簧,阻尼器构成。其采用 Choi 等11的模型,该模型是一个非线性的弹簧模型,它考虑了纤维的屈曲对弯曲运动的影响,相邻粒子之间的连接对拉伸运动具有恢复力 Fs。Fs可用式(5)表示:图 3 纤维模型Fig.3 Fiber modelFs=0,其他ks(xi-xj-L),xi-xjL(5)弯曲运动是表达纤维运动的重要因素,Choi 模型充分描述了相邻的粒子的运动,相邻粒子间压缩或弯曲运动的恢复力可用公式(6)(8)表示。=2Lsinc-1xi-xjL()(6)fb=k
13、b2L3cosL2()-sincL2()-1(7)Fb=0,xi-xjLCb(xi-xj-L)ij,fbCb(xi-xj-L)fbij,其他(8)式中:Fs,b表示拉伸弯曲运动的恢复力;ks,b表示弹簧抗拉伸弯曲运动的刚度;Cb表示屈曲前弹簧抗小变形的刚度,通常与 ks相同。xi,j表示粒子坐标位置;i,j表示粒子 xi到 xj的方向向量;表示曲率;L 表示弹簧的自然长度,通常是粒子间的初始距离。纤维在输毛管中所受到的外力主要是流场施加的,其对纤维的阻力 FD12可表示为:FD=1-uf-vp()Vp(9)式中:表示动量交换系数;表示孔隙率;uf表示流体速度;vp表示粒子速度;Vp表示粒子体积
14、。2.2 接触模型与凝聚模型由于粘胶纤维采用 NMMO 甲基吗啉溶剂法生产,在进入到输毛管入口时具有一定的粘性,因此在建立纤维丝束模型时引入了接触模型和凝聚模型。纤维和壁面以及纤维和纤维之间的接触采用Hertz-Mindlin 模型13。其法向弹性力 Fns与法向重叠数 的函数关系公式表示为:Fns=-43ER32(10)当量杨氏模量 E和当量半径 R定义为:1E=(1-v2i)Ei+(1-v2j)Ej(11)1R=1Ri+1Rj(12)式中:Ei和 Ej表示接触粒子的杨氏模量;vi和 vj表示接触粒子的泊松比;Ri和 Rj分别表示接触粒子的半径。凝聚模型为线性模型,线性模型提供相互平行作用的
15、线性和阻尼元件,线性分量提供线性弹性(无张力)摩擦行为,而阻尼分量提供粘滞行为。粘聚力 Fcohesion14与法向重叠数 的函数关系表示为:13第 3 期王 进 等:输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响Fcohesion=kA(13)A=2R(14)式中:k 表示内聚力能量密度;取 100 Jm3。如图 4 所示,纤维丝束模型是单纤维模型矩阵排列而成的束状模型,纤维的密度为 1540 kgm3,摩擦系数为 0.7,滚动阻力系数为 0.2,泊松比为0.25,弹簧常数为 50 Nm。图 4 纤维丝束模型Fig.4 Fiber tow model3 模拟结果分析3.1 输毛管中的压强与速度
16、分布分析图 5 显示了输毛管 Y=0、X=3.1m 截面处压力分布。图 5(a)显示冲毛水在输毛管中流动时管内及对管壁各处的压力自入口处-8770 Pa 逐渐增大到U 型管 U1最低处的 6101 Pa,其原因是冲毛水流速与深度不断增加的双重作用下,冲毛水产生较大的压力梯度。而随着液位上升,在 U 型管最低处至 U型管与锥型管 C1接口处,管内的压力逐渐减小至1405 Pa。锥型管 C1口径 200 mm 增大到 300 mm,由于管径的增大,冲毛水自锥型管 C1流入到水平管L1,L3中,冲毛水流动状态转变为不充满状态,从图 5 可以看出,管内的压力分布为 6221405 Pa,在水平管 L2
17、和水平管 L3中冲毛水液面位置处管内压力为622 Pa,输毛管底部压力为1405 Pa。输毛管内的液体压力梯度使纤维在管道中输送时受到不同的压力作用,对纤维丝束的输送开松有一定的作用。图 5 输毛管 Y=0,X=3.1m 截面处压力分布图Fig.5 Pressure profile of the fiber delivery tube at Y=0,X=3.1 m cross section 图 6 显示了输毛管在 Y=0、X=3.1 m 截面处的流体速度分布和矢量分布。从图 6(a)可以看出,在输毛管的入口边界条件速度为 1.0 ms 时,冲毛水在管壁附近的速度为 0.1 ms,管内部的流体
18、速度为 1.0 ms,管道内存在较大的速度梯度;在竖直管 L1部分,冲毛水在入口速度和重力的作用下流动,其速度均匀维持在 1.0 ms,而在 U 型管 U1部分可以看到,由于管路形式发生改变,在23现代纺织技术第 32 卷竖直管 L1与 U 型管 U1连接处,流场速度发生了微变,冲毛水速度从 1.0 ms 左右增加到 1.1 ms,变化的速度区域主要集中在 U 型管左半部分,从竖直管 L1与 U 型管连接处延伸到了 U 型管最低处。U 型管右半部分的流场速度依旧稳定在 1.0 ms左右,U 型管与锥型管 C1连接弯管 W1处流场速度产生了较复杂的速度场交混区域,这是因为冲毛水顺着 U 型管右半
19、部分运动到弯管 W1位置时,冲毛水撞击弯管管壁,产生能量且运动方向发生急剧变化,从而导致冲毛水的流速度在瞬间产生了升高和降低的不同速度变化,其速度区间主要集中在 0.4、1.0、1.3 ms,是输毛管管道流场较为复杂的区域。冲毛水流入到输毛管的水平管 L2时,由于流体域体积发生变化,流场中速度从弯管W1处 1.3 ms 逐渐减小至 0.6 ms,此处流场的速度大幅下降有利于纤维丝束的开松,但影响纤维的输送速率。从图 6(a)和图 6(b)可以看出,冲毛水经过弯管 W2处冲毛水速度从 0.6 ms 增长到1.3 ms,与输毛管 U 型管与水平管连接弯管处 W1的流场情况相似,冲毛水运动过程中撞击
20、管壁,运动方向发生变化,流速主要表现为增大。图 6(b)显示,相比于图 6(a)水平管 L2处,水平管 L3内流场速度较大,其不同速度场域分布较多但速度相差不大。速度主要集中在 0.7 1.1 ms,速度梯度较小,有利于纤维的均匀输出。锥形管 C1的设置减小了冲毛水在输毛管流动时的体积占比,使生产过程中产生的硫化等有害气体与液体分离,便于后续收集。图 6(c)显示弯管 W1与锥形管 C1连接处,冲毛水水流方向发生改变,又因为锥形管 C1管径从 200 mm 增大至 300 mm 导致锥形管下部产生流体漩涡。而图 6(d)中,水平管道 L3流场矢量方向一致,有利于纤维的持续输送。图 6 输毛管
21、Y=0,X=3.1m 截面处速度及矢量图Fig.6 Velocity and vector diagram of the fiber delivery tube at Y=0,X=3.1 m cross section3.2 纤维在输毛管中的运动分析图 7图 11 显示了不同时刻下 2000 根长度为38 mm 纤维丝束在输毛管中的运动开松状态。图 7显示,0.02 s 时,纤维丝束由切断机切断初始进入输毛管中,束状纤维丝束聚集紧密,受到冲毛水的作用较小,参考速度标尺,纤维丝束整体各部分速度相同,在冲毛水输送和重力的作用向前运动。对比33第 3 期王 进 等:输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理
22、效果的影响图 7(a)和图 7(b)可以看出,0.02 1.0 s 过程中,纤维丝束整体做加速运动,1.0 s 时纤维丝束由于受到的冲毛水的作用不均匀,纤维丝束局部运动速度在 0.8 1.3 ms 区间,纤维丝束整体发生位错,进行开松。图 8(a)显示,2 s 时纤维丝束紧贴输毛管管壁运动,在 U 型管底部纤维丝束整体运动方向发生渐变,贴附管壁的向前运动的过程中纤维速度降低,但部分呈现出疏松状。此刻纤维速度为0.75 ms,小于冲毛水的速度 1.0 ms,纤维向前输送的动力主要是输毛管中冲毛水的作用。从图 8(b)可以看出,3 s 时纤维丝束在经过 U 型管与锥型管连接弯管 W1时,纤维整体开
23、松面积增大,纤维速度差异明显,纤维在经过弯管复杂的流场区域为纤维丝束开松创造了有利条件,这与图 6(a)表现出的流场特征相印证。图 9 显示,纤维经过锥型管 C1时,进入到水平管 L2时,纤维整体被分割为两部分在输毛管中运动,一部分纤维在向前运动时出现回流运动现象,这是由于受到流场中漩涡的影响,与图 6(c)流场状态相一致。前者在水平管道中运动速度降低,聚集在一起,这是因为在水平管 L2处,冲毛水的速度经过弯管 W1时先增大后减小所导致的。后者在漩涡中做“转圈”运动,因此管道的设计应避免管道漩涡的出现,这与茅孙良等15研究相一致。从 图 9图 11 可以看出,5 8 s 时明显看到纤维被水流漩
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 输毛管 中流 状态 纤维 丝束 处理 效果 影响
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。