第32卷㊀第3期2024年3月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.3Mar.2024DOI :10.19398∕j.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㊀进1,程贺棚1,李㊀帅1,卢㊀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㊀450007;2.恒天重工股份有限公司,郑州㊀450000)㊀㊀摘㊀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㊂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,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38mm 纤维丝束在输毛管中的运动过程㊂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㊂研究结果可为化纤与纺织行业输毛管设计提供参考㊂关键词:输毛管;流场模型;Cradle CFD;纤维丝束;开松中图分类号:TS152.8㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1009-265X(2024)03-0029-09收稿日期:20230808㊀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㊂通信作者:于贺春,E-mail:yuhechun1106@㊀㊀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㊂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㊁加强精炼机淋洗效果,提高纤维成品品质㊂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]㊂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㊂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㊂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㊂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,分析了不同工况下的气流分布特征和流场对纤维运动的影响㊂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㊁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㊂Chen 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㊂Yang 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㊂Hamedi 等[7]研究具有不同取向角度㊁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形状有影响㊂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1mm 和16mm 纤维在转杯内的运动特征㊂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㊁鞭动对纤维细化有重要影响㊂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㊂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㊂本文研究可以为化纤与纺织行业输毛管设计提供参考㊂1㊀输毛管流场模型构建1.1㊀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L 1,水平圆形管道L 2㊁L 3,长度分别为l 1㊁l 2㊁l 3;U 型管道U 1;圆锥管C 1;弯管W 1㊁W 2㊂模型参数:竖直圆形管道L 1管径D 1为200mm,长度l 1为1000mm;水平圆形管道L 2㊁L 3管径D 2为300mm,长度l 2为2000mm,l 3为2000mm;圆锥管C 1的小孔径为D 1㊁大孔径为D 2,长度l 4为200mm;U 型管是半径为500mm 的半圆,弯管W 1㊁W 2曲率半径为200mm㊂1.2㊀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㊁动量守恒㊁能量守恒㊂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:∂ρ∂t+div(ρu )=0(1)㊀㊀输毛管中的液体介质流动为不可压缩流体,因此密度ρ不随时间变化,式(1)可以变化为:div(ρu )=0(2)㊀∂(ρu i )∂t+div(ρuu i )=div(μgrad u i )-∂p ∂x i +S i(3)式中:t 表示时间;u 表示流体速度矢量;u i (i =1,2,3)表示u 在坐标分量x i (i =1,2,3)方向上的分量;μ表示粘度系数;p 表示压力;S i 表示x i 方向上的广义源项㊂流场采用瞬态,压力求解器,RNG k-ε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㊂1.3㊀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㊂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后的模型㊂图1㊀管道模型Fig.1㊀Pipemodel图2㊀网格划分Fig.2㊀Grid division㊀㊀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1m∕s;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㊂㊃03㊃现代纺织技术第32卷2㊀纤维模型的建立2.1㊀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㊂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㊂在离散元法中,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㊂纤维粒子动力学方程表示为:m id 2r id t2=F b +F D (4)式中:m i 表示粒子i 的质量;r i =x i (t )i +y i (t )j +z i (t )k表示粒子i 在流场中的位置;F b 表示粒子i 受到的弯曲恢复力;F D 表示粒子i 在流场中受到的阻力㊂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㊂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㊂如图3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㊂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F s ㊂F s 可用式(5)表示:图3㊀纤维模型Fig.3㊀Fiber modelF s =0,其他k s (x i -x j -L ),x i -x j >L{(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㊂㊀㊀㊀㊀κ=2L sin c -1x i -x j L()(6)㊀㊀f b =k b κ2L 3cos κL 2()-sinc κL 2()éëêêùûúú-1(7)F b =0,x i -x j >L C b (x i -x j -L )ξij ,f b <C b (x i -x j-L )f b ξij ,其他ìîíïïïï(8)式中:F s,b 表示拉伸∕弯曲运动的恢复力;k s,b 表示弹簧抗拉伸∕弯曲运动的刚度;C b 表示屈曲前弹簧抗小变形的刚度,通常与k s 相同㊂x i ,j 表示粒子坐标位置;ξi ,j 表示粒子x i 到x j 的方向向量;κ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㊂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F D [12]可表示为:F D =β1-εu f -v p ()V p(9)式中:β表示动量交换系数;ε表示孔隙率;u f 表示流体速度;v p 表示粒子速度;V p 表示粒子体积㊂2.2㊀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㊂纤维和壁面以及纤维和纤维之间的接触采用Hertz-Mindlin 模型[13]㊂其法向弹性力F ns 与法向重叠数δ的函数关系公式表示为:F ns =-43E ∗R ∗δ32(10)当量杨氏模量E ∗和当量半径R ∗定义为:1E ∗=(1-v 2i )E i +(1-v 2j )E j (11)1R ∗=1R i +1R j(12)式中:E i 和E j 表示接触粒子的杨氏模量;v i 和v j 表示接触粒子的泊松比;R i 和R j 分别表示接触粒子的半径㊂凝聚模型为线性模型,线性模型提供相互平行作用的线性和阻尼元件,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㊂粘聚力F cohesion [14]与法向重叠数δ的函数关系表示为:㊃13㊃第3期王㊀进等:输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响F cohesion =kA(13)A =2πR ∗δ(14)式中:k 表示内聚力能量密度;取100J∕m 3㊂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1540kg∕m 3,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50N∕m㊂图4㊀纤维丝束模型Fig.4㊀Fiber tow model3㊀模拟结果分析3.1㊀输毛管中的压强与速度分布分析图5显示了输毛管Y =0㊁X =3.1m 截面处压力分布㊂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-8770Pa 逐渐增大到U 型管U 1最低处的6101Pa,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㊂而随着液位上升,在U 型管最低处至U型管与锥型管C 1接口处,管内的压力逐渐减小至1405Pa㊂锥型管C 1口径200mm 增大到300mm,由于管径的增大,冲毛水自锥型管C 1流入到水平管L 1,L 3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622~1405Pa,在水平管L 2和水平管L 3中冲毛水液面位置处管内压力为622Pa,输毛管底部压力为1405Pa㊂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㊂㊀㊀㊀㊀图5㊀输毛管Y =0,X =3.1m 截面处压力分布图Fig.5㊀Pressure profile of the fiber delivery tube at Y =0,X =3.1m cross section㊀㊀图6显示了输毛管在Y =0㊁X =3.1m 截面处的流体速度分布和矢量分布㊂从图6(a)可以看出,在输毛管的入口边界条件速度为1.0m∕s 时,冲毛水在管壁附近的速度为0.1m∕s,管内部的流体速度为1.0m∕s,管道内存在较大的速度梯度;在竖直管L 1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1.0m∕s,而在U 型管U 1部分可以看到,由于管路形式发生改变,在㊃23㊃现代纺织技术第32卷竖直管L 1与U 型管U 1连接处,流场速度发生了微变,冲毛水速度从1.0m∕s 左右增加到1.1m∕s,变化的速度区域主要集中在U 型管左半部分,从竖直管L 1与U 型管连接处延伸到了U 型管最低处㊂U 型管右半部分的流场速度依旧稳定在1.0m∕s左右,U 型管与锥型管C 1连接弯管W 1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 型管右半部分运动到弯管W 1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0.4㊁1.0㊁1.3m∕s,是输毛管管道流场较为复杂的区域㊂冲毛水流入到输毛管的水平管L 2时,由于流体域体积发生变化,流场中速度从弯管W 1处1.3m∕s 逐渐减小至0.6m∕s,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㊂从图6(a)和图6(b)可以看出,冲毛水经过弯管W 2处冲毛水速度从0.6m∕s 增长到1.3m∕s,与输毛管U 型管与水平管连接弯管处W 1的流场情况相似,冲毛水运动过程中撞击管壁,运动方向发生变化,流速主要表现为增大㊂图6(b)显示,相比于图6(a)水平管L 2处,水平管L 3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㊂速度主要集中在0.7~1.1m∕s,速度梯度较小,有利于纤维的均匀输出㊂锥形管C 1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㊂图6(c)显示弯管W 1与锥形管C 1连接处,冲毛水水流方向发生改变,又因为锥形管C 1管径从200mm 增大至300mm 导致锥形管下部产生流体漩涡㊂而图6(d)中,水平管道L 3流场矢量方向一致,有利于纤维的持续输送㊂图6㊀输毛管Y =0,X =3.1m 截面处速度及矢量图Fig.6㊀Velocity and vector diagram of the fiber delivery tube at Y =0,X =3.1m cross section3.2㊀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38mm 纤维丝束在输毛管中的运动开松状态㊂图7显示,0.02s 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㊂对比㊃33㊃第3期王㊀进等:输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响图7(a)和图7(b)可以看出,0.02~1.0s过程中,纤维丝束整体做加速运动,1.0s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0.8~1.3m∕s区间,纤维丝束整体发生位错,进行开松㊂图8(a)显示,2s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㊂此刻纤维速度为0.75m∕s,小于冲毛水的速度1.0m∕s,纤维向前输送的动力主要是输毛管中冲毛水的作用㊂从图8 (b)可以看出,3s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㊂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㊂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㊂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㊂从图9 图11可以看出,5~8s时明显看到纤维被水流漩涡完全分成两部分,前者纤维整体经过水平弯管W2处速度随冲毛水增大,在水平管道L3中整体进一步拉长开松,但没出现整体分割现象,而是连续输送出㊂纤维在经过管道的弯管处时,流场中的速度容易发生骤变,有利于纤维开松,在管道水平处输送时,纤维整体被拉长,聚集密度降低,保证纤维开松的同时也使纤维持续均匀输出㊂㊀㊀㊀㊀㊀图7㊀0.02s㊁1s时纤维运动轨迹及局部放大示意图Fig.7㊀Fiber movement trajectory and local amplification schematic at0.02s and1s㊀㊀㊀㊀㊀图8㊀2s㊁3s时纤维运动轨迹及局部放大示意图Fig.8㊀Fiber movement trajectory and local amplification schematic at2s and3s㊃43㊃现代纺织技术第32卷㊀㊀㊀㊀㊀图9㊀4s㊁5s时纤维运动轨迹及局部放大示意图Fig.9㊀Fiber movement trajectory and local amplification schematic at4s and5s㊀㊀㊀㊀㊀图10㊀6s㊁7s时纤维运动轨迹及局部放大示意图Fig.10㊀Fiber movement trajectory and local amplification schematic at6s and7s图11㊀8s时纤维运动轨迹及局部放大示意图Fig.11㊀Fiber movement trajectory and localamplification schematic at8s4㊀结㊀论利用了流体仿真分析软件对含2000根长度为38mm纤维丝束在输毛管中的运动过程进行了数值模拟研究,分析讨论了纤维丝束在输毛管中的开松机理;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,探究了输毛管流场状态对纤维运动轨迹的影响,得到了以下主要结论:a)当纤维丝束进入竖直管道中,在水流和自身重力作用下呈现加速状态;管道流场中存在压力梯度和速度梯度,纤维在管道中的输送过程受流体作用产生局部速度差,促使纤维位错,达到开松效果㊂b)冲毛水在输毛管弯管处流速变化较大,产生的速度梯度有利于纤维丝束开松;水平管道流场速度梯度较小,速度变化较为平稳,使纤维整体呈现拉长开松,提高纤维在输送过程中的开松效果,并持续均匀输出㊂c)输毛管管径尺寸的突然增大导致输管道产生漩涡,阻碍纤维的向前输送,因此输毛管管道设计应当避免管径尺寸的突然增大,以减少纤维缠绕现象㊂㊃53㊃第3期王㊀进等:输毛管中流场状态对纤维丝束开松处理效果的影响本文研究结果阐述了纤维丝束开松的基本机理,揭示了输毛管内流场状态对纤维输送的影响,研究结果可以为化纤与纺织行业的输毛管设计提供参考㊂参考文献:[1]千翠娥,王朝辉,任晓霞,等.一种适用于粘胶短纤维输毛管的纤维管路开松装置:CN205474156U[P].2016-08-17.QIANCui'e,WANG Chaohui,REN Xiaoxia,et al.A fiber pipeline opening device suitable for viscose staple fiber delivery pipe:CN205474156U[P].2016-08-17. 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