低落纤喷气涡流纺纱喷嘴气流场的数值模拟研究

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喷气涡流纺是利用高速气流实现了纤维束分离和加捻,在涡流管与空心锭头端之间的环形区域内高速气流的轴向力和离心力使得尾端纤维克服加捻时的束缚,挣脱束缚的纤维流入排气室中,造成不必要的纤维损失。先前研究者的工作中验证了引纱管管壁上设有抽吸孔的低落纤喷气涡流纺纱喷嘴的有效性。但该设计的落纤降低机理尚未揭示。本文对设有抽吸孔的低落纤喷气涡流纺纱喷嘴的旋流特性进行分析,探究落纤降低的机制。本文具体研究工作如下:(1)使用Gambit软件对低落纤喷气涡流纺喷嘴流体区域进行建模和网格划分。使用Fluent软件对低落纤喷气涡流纺喷嘴内的流场进行稳态数值计算。对流场的速度,压强等物理参数进行分析。得出结论:在负压源的抽吸作用下,纤维输入通道和金属丝导引孔内的气流进入涡流管后,一部分气流受到高速旋转气流的夹带作用,流向涡流管与空心锭头端之间的环形区域。另一部分气流受到负压抽吸作用流向引纱管内,因此涡流管内只有两股回流。而高速旋转气流并没有受到负压抽吸的影响流入引纱管内。(2)分析喷嘴气流场速度的变化来探究抽吸孔参数对落纤量和纱线断裂强度的影响。结果表明:落纤量与引纱管入口处平均轴向速度有关,平均轴向速度增大使得纤维头端受到向下的力增大,继而增大了纤维尾端向上的拉力,使得尾端纤维抵御住高速气流的抽拔作用,从而降低落纤。例如:当抽吸孔直径从0.2 mm增加至0.3 mm时,平均轴向速度明显增加;当抽吸孔周向列数从2列增加至3列时,平均轴向速度明显增加;当抽吸孔轴向间距从2 mm减小至1 mm时,平均轴向速度显著增加。引纱管入口处平均轴向速度与先前研究者的实验结果一致。纱线断裂强度与抽吸孔截面平均径向速度和纱条受力面积有关。平均径向速度越大意味着纱条受到的径向力也就越大,纤维之间的抱合力也就越低,纱线断裂强度降低。当纱条受力面积减小时,纱条整体受力降低,可提高纱线断裂强度。例如:当抽吸孔直径从0.2 mm增加至0.3 mm时,引纱管内平均径向速度增大,纱线断裂强度降低;当抽吸孔周向列数由2列增加至4列时,平均径向速度增大,纱线断裂强度降低。当抽吸孔轴向间距由1 mm增加至2 mm时,抽吸孔截面平均径向速度增大,但纱条受力面积显著减少,使得纱条整体受力减小,所以2 mm间距的纱线断裂强度大于1 mm的纱线断裂强度。(3)分析喷嘴内纤维输入通道流线和金属丝导引孔流线的变化来探究抽吸孔参数对芯纱包覆质量的影响。结果表明:造成芯纱包覆质量下降的主要原因有两方面,一方面是当靠近引纱管入口的抽吸孔径向速度较大时,从引纱管入口流入的部分流线从前排抽吸孔中流出,意味着纱条在此处有明显的径向移动,导致金属丝在引纱管入口处晃动,使得纤维缠绕不均。另一方面是当引纱管入口平均轴向速度过大时,会使得纤维头端迅速向下游方向移动,纤维尾端未经充分地旋转就缠绕在金属丝上,导致包覆质量下降。例如:当抽吸孔列数为2列时,引纱管入口平均轴向速度为涡流管与空心锭头端之间环形区域的轴向速度的两倍且靠近引纱管入口的抽吸孔径向速度较大,金属丝的晃动加剧了纤维缠绕的不均匀性,使得抽吸孔列数为2列的包覆质量较差;当抽吸区域长度由34 mm减少至25 mm时,引纱管入口处平均轴向速度相近,但靠近引纱管入口的抽吸孔径向速度增大,金属丝晃动,导致包覆质量降低;当抽吸孔轴向间距由1 mm增加至2 mm时,引纱管入口处平均轴向速度减小,纤维尾端可以经过充分地旋转缠绕在金属丝上,包覆质量提高。(4)采用贝叶斯神经网络与粒子群优化算法建立低落纤喷气涡流纺纱喷嘴的多目标模型,使用粒子群算法优化贝叶斯神经网络权值分布,然后设置目标函数进行迭代寻优。最终得到最优参数组合为抽吸孔直径0.32 mm,抽吸孔轴向间距为1 mm,抽吸孔周向排列列数为3列,抽吸区域长度为30 mm。在此最优参数组合下得到引纱管入口平均轴向速度164 m/s径向速度为5.88 m/s,将最优参数组合建模进行流体仿真,仿真结果与算法计算结果误差在10%以内。
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