抽吸孔结构对喷气涡流纺喷嘴气流场的影响_朱江阳.pdf

第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology抽吸孔结构对喷气涡流纺喷嘴气流场的影响朱江阳1 奚传智1 王泳智1 裴泽光1，2 陈革1（1.东华大学，上海，201620；2.上海市现代纺织前沿科学研究基地，上海，201620）摘要：研究负压抽吸式喷气涡流纺喷嘴中抽吸孔直径与抽吸区长度对喷嘴气流场分布特征的影响。采用数值模拟的方法，结合纺纱试验结果，阐明了抽吸孔直径与抽吸区长度对喷气涡流纺包芯纱成纱过程中的落纤量及成纱断裂强度的影响机制。研究发现，纺锭内引纱通道入口端面处气流径向速度和轴向速度的方向与大小对成纱过程中落纤量的大小起关键作用，气流轴向速度和径向速度值越大，落纤量越小；靠近纺锭入口位置的抽吸孔中气流径向速度的大小对成纱断裂强度的大小起关键作用，气流径向速度越大，成纱断裂强度越高。气流场模拟结果表明：抽吸孔直径 0.3 mm 和 0.4 mm 时降低落纤量的效果优于抽吸孔直径 0.2 mm，抽吸孔直径0.2 mm 时成纱断裂强度较高；抽吸区长度 25 mm 和 34 mm 时降低落纤量的效果相似，抽吸区长度 34 mm 时成纱断裂强度略低于抽吸区长度 25 mm。气流场的数值模拟结果解释了纺纱试验结果，可为喷气涡流纺喷嘴结构的改进提供理论参考。关键词：喷气涡流纺；喷嘴；负压抽吸；气流场；纺锭；数值模拟中图分类号：TS112.8 文献标志码：A 文章编号：1000-7415（2023）08-0019-07Effects of air suction hole structure on nozzle airflow of air jet vortex spinningZHU Jiangyang1 XI Chuanzhi1 WANG Yongzhi1 PEI Zeguang1,2 CHEN Ge1（1.Donghua University，Shanghai，201620，China；2.Shanghai Frontiers Science Center of Advanced Textiles，Shanghai，201620，China）Abstract Effects of air suction hole diameter and length of the air suction region on the airflow patterns in air jet vortex spinning nozzle with negative pressure air suction were studied.Numerical simulation method was adopted.Combined with the results of spinning experiment，the effect mechanism of air suction hole diameter and length of the air suction region on the fiber loss during the air jet vortex spinning process of core-spun yarn and yarn breaking tenacity was explained.It was found out that both radial and axial velocities of the airflow at the inlet plane of the yarn passage inside the spindle played a key role in affecting the amount of lost fibers.The higher the axial and radial velocities of the airflow were，the less the lost fibers were.The radial velocity of the airflow in the suction hole near the inlet of the spindle played a key role in the value of yarn breaking tenacity.The higher the radial velocity of the airflow were，the higher yarn breaking tenacity of the yarn was.The simulation results of the airflow showed that the fiber loss with the hole diameter of 0.3 mm and 0.4 mm was lower than the case of 0.2 mm.The yarn breaking tenacity was the highest when the suction hole diameter was 0.2 mm.The fiber loss was similar when the zone length of suction holes were 25 mm and 34 mm.The yarn breaking tenacity with suction zone length of 34 mm was slightly lower than that with suction zone length of 25 mm.The numerical simulation results of airflow explained the results of the spinning experiment.It could provide theoretical reference for the modification of the nozzle structure in air jet vortex spinning.Key Words vortex spinning，nozzle，air suction with negative pressure，airflow field，spindle，numerical simulation研究探讨基金项目：国家自然科学基金项目（11972116）；上海市自然科学基金项目（23ZR1401600）；上海市现代纺织前沿科学研究基地资助项目（X11012201-011）;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2232023Y-01）作者简介：朱江阳（1995），男，在读硕士研究生；裴泽光，通信作者，教授，收稿日期：2023-02-11】【19第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology喷气涡流纺利用在喷嘴中产生的高速涡流对纤 维 进 行 加 捻 成 纱，最 高 纺 纱 速 度 可 达550 m/min13，其纺制的纱线为包缠结构，使得这一技术较为适合纺制包芯纱46。但在成纱过程中部分纤维在高速涡流的作用下将完全脱离纱条，成为落纤而从喷嘴中排出78，对包芯纱的结构与质量产生不利影响9，降低喷气涡流纺成纱过程中的落纤量对于提高纺纱效率、减少原料损耗、改善成纱质量均具有重要的意义。近期，文献10 报道了一种纺锭中设有负压抽吸管的喷气涡流纺纱喷嘴，利用该喷嘴对金属丝包芯纱进行了纺制，试验结果表明该喷嘴相对传统喷嘴可降低落纤量，同时提高成纱断裂强度，并研究了负压抽吸管结构参数对成纱的影响。但上述影响机理尚不明确。为此，本研究采用数值模拟的方法，针对负压抽吸管两个重要的结构参数抽吸孔直径与抽吸区长度，在纺制金属丝包芯纱时对负压抽吸式喷气涡流纺喷嘴气流场的影响进行研究，并与试验结果进行对比，以期为低落纤喷气涡流纺纱喷嘴参数的设计提供理论指导。1 数值模拟采用 Gambit 软件建立负压抽吸式喷气涡流纺喷嘴气流场几何模型（如图 1所示）并进行网格划分，在纺锭内部用负压抽吸管取代引纱通道，并在纺锭内部设置连接负压的空腔，负压抽吸管前端壁面上设置与空腔相连接、方向沿喷嘴径向的通孔（即抽吸孔）。在本研究中，喷嘴中涡流的旋向适合纺制 Z 捻纱，抽吸孔在负压抽吸管周向上设置 3 列且相互间隔 120，抽吸孔轴向间距为1 mm。为了研究抽吸孔直径和抽吸区长度对气流场的影响，本研究对数值模拟方案中的相关参数值进行了选取，如表 1 所示。模拟中将气室入口与纺锭上的负压源连接孔入口均设置为压力入口 边 界 条 件，气 流 总 压 分 别 等 于 0.55 MPa 和11 325 Pa，而将芯丝导引孔入口、纤维导引通道入口、负压抽吸管出口、排气通道出口设置为压力出口边界，气流静压设置为标准大气压101 325 Pa，固体壁面处设置为无滑移边界。喷嘴内气流为可压缩、黏性、湍流流动，选取 Realizable k 模型对湍流进行模拟，采用计算流体动力学软件 ANSYS Fluent对流场进行数值求解。2 结果与讨论2.1喷嘴气流场分布特征图 2为方案 1的喷嘴中 X=0 mm 截面内的气流流线与静压分布图。从喷孔中喷射出的高压气流在加捻腔中沿壁面向下游流动，随后进入纺锭外围的环形区域。由于纺锭内负压抽吸作用的存在，纤维导引通道和加捻腔核心区域形成负压区，使气流沿纤维导引通道和芯丝导引孔流入加捻腔。而在纺锭中引纱通道内部气流压强进一步降低，从而将加捻腔核心区中气流吸入引纱通道中。这部分气流一边向下游流动，一边通过抽吸孔流入纺锭内部连接1纤维导引通道；2金属丝导引孔；3气流喷射孔；4气室进气孔；5加捻腔与纺锭间环形区域；6排气室；7纺锭内空腔；8负压抽吸管；9负压源连接孔；10排气通道；11抽吸孔。图 1负压抽吸式喷气涡流纺纱喷嘴气流场几何模型表 1数值模拟方案设计方案12345抽吸孔直径/mm0.20.30.40.3未设置抽吸孔抽吸区长度/mm34343425图 2设计方案 1的喷嘴中 X=0 mm 截面内的气流流线与静压分布图】【20第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology负压源的空腔中。这一流动特征与传统喷气涡流纺纱喷嘴中引纱通道内存在从下游向上游流动的回流明显不同11。2.2抽吸孔直径对喷嘴气流场的影响图 3 为 方 案 1 方 案 3 和 方 案 5 中 喷 嘴 内X=0 mm 截面内不同横截面处气流切向速度、径向速度和轴向速度沿喷嘴径向位置的分布规律，其中切向速度正值表明沿 Z轴正方向看气流沿逆时针方向旋转，径向速度方向由喷嘴轴线指向外侧时为正值，轴向速度沿 Z 轴正方向时为正值。可以看出，在 Z=11 mm 截面（喷射孔出口所在截面）内，未设置抽吸孔时气流径向速度呈现明显的不对称性，这主要是由于从纤维导引通道、金属丝导引孔以及纺锭内引纱通道流入喷嘴加捻腔中的几股次流产生相互碰撞导致。而抽吸孔的设置提高了径向速度分布的对称性，这与设置抽吸孔后纺锭入口上游区域气流较为均匀地流入引纱通道有关。这种较为均匀的流动也可从设置抽吸孔后喷嘴轴线附近气流轴向速度分布较为对称看出。在 Z=12.5 mm 截面（纺锭入口端面）处，设有抽吸孔的喷嘴内气流轴向速度均为正值，而径向速度均为负值，表明气流从加捻腔一边流入引纱通道，一边向中心汇聚，其能够对此处的纱条产生较强的集束作用，有助于纱条对尾端自由纤维的头端产生良好的握持效果，降低其成为落纤的几率，同时有利于纤维向引纱通道中的输送，并使尾端自由纤维的头端受到指向下游的气流作用力，从而使倒伏在纺锭入口处的纤维尾端受到指向纺锭入口的拉力作用，有助于其抵御纺锭与加捻腔壁面间环形区域内气流的抽拔作用，使落纤量降低。相比抽吸孔直径为 0.2 mm 的设计，抽吸孔直径为 0.3 mm 和 0.4 mm 时气流径向速度和轴向速度均有一定程度的增加，表明方案 2和方案 3降低落纤量的效果相比方案 1更为有效，但方案 2和方案 3之间的差异并不大。这与文献 10 抽吸孔直径对喷气涡流纺包芯纱落纤量影响的试验研究结果在一定程度上是吻合的。图 4 为 方 案 1 方 案 3 和 方 案 5 中 纺 锭 内X=0 mm 截面内不同横截面处气流切向速度、径向速度和轴向速度沿径向位置的分布规律。可以看出，在 Z=16.5 mm（第 1 排抽吸孔轴线所在横截面）和 Z=20.5 mm 截面（第 5 排抽吸孔轴线所在横截面）内，抽吸孔中气流径向速度随抽吸孔直径的减小而显著增大，而引纱通道内部气流切向速度和轴向速度均随抽吸孔直径的减小而降低。气流切向速度的存在有利于纤维在纱体上的包缠，而气流径向速度分量可为位于引纱通道内的纱条提供吸附力，以增大纱线在成形过程中与壁面间的压力与摩擦力，继而提高纱条中纤维间的 （a）Z=11 mm 截面 （b）Z=12.5 mm 截面图 3不同抽吸孔直径的喷嘴中 X=0 mm 截面内气流速度分量沿喷嘴径向的分布】【21第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology抱合力和纱线的紧密度，从而提高成纱的断裂强度。与之相比，未设置抽吸孔时引纱通道内气流各速度分量值均较低。在 Z=25.5 mm 截面（第10 排抽吸孔轴线所在横截面）内，方案 1 和方案 2中抽吸孔内气流径向速度值较为接近，且均高于方 案 3 中 抽 吸 孔 内 气 流 径 向 速 度 值。而 在Z=30.5 mm 截面（第 15 排抽吸孔轴线所在横截面）内，方案 3中抽吸孔内气流径向速度值显著增大，并与方案 1与方案 2中数值较为接近。这表明随着抽吸孔位置越靠近负压抽吸源入口，抽吸孔直径大小对气流径向速度值的影响越不显著。但纤维须条主要是在靠近纺锭入口的引纱通道内进行成纱，因此靠近纺锭入口的抽吸孔产生的气流对成纱断裂强度的影响将更加关键。前期有关抽吸孔直径对喷气涡流纺包芯纱断裂强 （a）Z=16.5 mm 截面 （b）Z=20.5 mm 截面 （c）Z=25.5 mm 截面 （d）Z=30.5 mm 截面图 4不同抽吸孔直径的纺锭中 X=0 mm 截面内气流速度分量沿喷嘴径向的分布】【22第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology度影响的试验研究结果表明，成纱断裂强度在抽吸孔直径为0.2 mm时最高，在抽吸孔直径为0.3 mm和 0.4 mm 时显著降低，但均显著高于未设置抽吸孔的情况10。结合气流数值模拟的结果可以推断，靠近纺锭入口位置的抽吸孔中气流径向速度越大，成纱的断裂强度越高。2.3抽吸区长度对喷嘴气流场的影响图 5 为 方 案 2、方 案 4 和 方 案 5 中 喷 嘴 内X=0 mm 截面内不同横截面处气流切向速度、径向速度和轴向速度沿喷嘴径向位置的分布规律。可以看出，抽吸区长度由 34 mm 减小到 25 mm时，喷射孔出口及纺锭入口所在截面处气流切向速度、径向速度及轴向速度沿喷嘴径向的分布规律均没有明显的变化。由于上述气流速度分量的分布规律已在 2.2 节进行了分析，因此在此处不再赘述。根据 2.2 节的分析，两种设计方案下气流对纱条的集束作用和对纤维尾端向纺锭入口的拉动作用相似，因此降低落纤量的效果相似。这与文献 10 抽吸区长度对喷气涡流纺包芯纱落纤量影响的试验研究结果一致。图 6 为 方 案 2、方 案 4 和 方 案 5 中 纺 锭 内X=0 mm 截面内不同横截面处气流切向速度、径向速度和轴向速度沿径向位置的分布规律。在Z=16.5 mm 和 Z=20.5 mm 截面内，抽吸区长度为 25 mm 时，抽吸孔中气流径向速度高于抽吸区长度为 34 mm 时的情况。这是由于在相同的负压抽吸流量下，抽吸区长度为 25 mm 时抽吸孔的数量少于抽吸区长度为 34 mm 时的情况。而对于气流切向速度和轴向速度分量，方案 2和方案 4则较为接近。在 Z=25.5 mm 截面内，方案 2和方案 4 中抽吸孔内气流径向速度值基本相同，且其大小均相对于 Z=20.5 mm 截面显著提高。在Z=30.5 mm 截面内，抽吸区长度为 34 mm 时抽吸孔中气流径向速度相对抽吸区长度为 25 mm时略有下降，而后者的设计方案中，引纱通道内气流轴向速度为负值，表明此处存在由下游向纺锭入口流动的回流。而此截面内引纱通道中气流的切向速度分量较小，表明此处气流的旋转运动已不明显。文献 10 有关抽吸区长度对喷气涡流纺包芯纱断裂强度影响的试验研究结果表明，成纱断裂强度在抽吸区长度为 25 mm 时最高，在抽吸区长度为 34 mm 时略有降低，两者间对成纱断裂强度的影响不显著，但均显著高于未设置抽吸孔的情况。如 2.2 节的分析，这也与气流场数值模拟的结果相符，即靠近纺锭入口位置（如Z=16.5 mm和 Z=20.5 mm 截面）的抽吸孔中气流径向速度越大，成纱断裂强度越高。（a）Z=11 mm 截面 （b）Z=12.5 mm 截面图 5不同抽吸区长度的喷嘴中 X=0 mm 截面内气流速度分量沿喷嘴径向的分布】【23第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology3 结论本研究采用数值模拟方法，就负压抽吸式喷气涡流纺纱中抽吸孔直径与抽吸区长度对喷嘴气流场的影响进行了研究，并与前期的纺纱试验结果进行对比，阐释了抽吸孔结构参数对喷气涡流纺包芯纱成纱过程中的落纤量及成纱断裂强度的影响机制，得到以下结论。（1）纺锭内引纱通道入口端面处气流径向速度和轴向速度的方向与大小对成纱过程中落纤量的大小起关键作用。此处气流轴向速度方向由上游指向下游、径向速度由外侧指向喷嘴轴线时，气流从加捻腔一边流入引纱通道，一边向中心汇聚，可对此处的纱条产生较强的集束作用，有助于纱条对尾端自由纤维的头端产生良好的握持效果，降低其成为落纤的几率，同时有利于纤维向引纱 （a）Z=16.5 mm 截面 （b）Z=20.5 mm 截面 （c）Z=25.5 mm 截面 （d）Z=30.5 mm 截面图 6不同抽吸区长度的纺锭中 X=0 mm 截面内气流速度分量沿喷嘴径向的分布】【24第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Cotton Textile Technology通道中的输送，并使尾端自由纤维的头端受到指向下游的气流作用力，从而使倒伏在纺锭入口处的纤维尾端受到指向纺锭入口的拉力作用，有助于其抵御纺锭与加捻腔壁面间环形区域内气流的抽拔作用，使落纤量降低。气流轴向速度和径向速度值越大，则落纤量越小。（2）靠近纺锭入口位置的抽吸孔中气流径向速度的大小对成纱断裂强度的大小起关键作用。此处气流径向速度分量可为位于引纱通道内的纱条提供吸附力，以增大纱线在成形过程中与壁面间的压力与摩擦力，继而提高纱条中纤维间的抱合力和纱线的紧密度，从而提高成纱的断裂强度。当此处抽吸孔中气流径向速度越大时，成纱的断裂强度越高。（3）气流场数值模拟结果可对抽吸孔直径和抽吸区长度对成纱过程中的落纤量及成纱断裂强度的影响机制进行解释，与纺纱试验结果吻合较好。即方案 2 和方案 3 降低落纤量的效果优于方案 1，方案 1的成纱断裂强度较高；方案 2和方案 4降低落纤量的效果相似，方案 2 的成纱断裂强度略低于方案 4。参考文献：1刘建林，郑磊，李小平.梳棉重定量工艺在涡流纺生产中的实践 J.纺织器材，2022，49（6）：21-24.2张仕成，陈路，胡宁华.莱赛尔在喷气涡流纺中的生产工艺研究 J.纺织导报，2022（4）：30-35.3吴俊年，龚正晖，沈绒，等.改善喷气涡流纺粘胶纱条 干 水 平 的 工 艺 优 化J.棉 纺 织 技 术，2019，47（10）：43-45.4李煜炜，王永锋，王慧云，等.异形截面涤纶包芯纱织物的吸湿快干性能研究 J.棉纺织技术，2021，49（5）：29-32.5刘艳斌，刘俊芳，宋海玲.喷气涡流纺涤纶包芯纱的开发 J.棉纺织技术，2012，40（6）：46-48.6孔彩珍.差别化涡流纺产品的开发及应用 J.纺织导报，2014（5）：103-105.7邹专勇，俞建勇，薛文良，等.喷气涡流纺纱线细节产生机制分析 J.纺织学报，2008，29（7）：21-26.8PEI Z G，HE J.Experimental study on the formation of core-spun yarn manufactured on a modified vortex spinning systemJ.Textile Research Journal，2019，89（21/22）：4383-4397.9PEI Z G，WANG 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