張 榮， 馮志華， 陸 慶， 陳曉明

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)

含紗疵紗線的氣流引緯牽引特性分析

張 榮， 馮志華， 陸 慶， 陳曉明

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)

為探究紗疵對氣流牽引紗線的影響，根據(jù)紗疵在流體中的形狀特性，提出以球體或圓柱體模型化短粗節(jié)紗疵的新設(shè)想?；贔luent的流場分析結(jié)果，對短粗節(jié)紗疵牽引力進(jìn)行了數(shù)值計算。通過自行設(shè)計的主噴嘴氣流引緯牽引力測試裝置，測定了短粗節(jié)紗疵模型球體在0.3 MPa供氣壓力下的氣流牽引力大小，并對前述數(shù)值計算結(jié)果的合理性進(jìn)行了驗證，得到較好的一致性。同時，探究了紗疵對紗線牽引力系數(shù)的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：隨著紗疵直徑增大，紗線牽引力系數(shù)的變化率呈現(xiàn)先上升隨后逐漸趨于平緩的現(xiàn)象；而隨著紗疵數(shù)量的增多，牽引力系數(shù)的變化率呈逐次下降態(tài)勢。

紗線； 紗疵； 氣流牽引； 數(shù)值計算； 牽引力系數(shù)

紗線條干不勻率是評價紗線質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，對紗線和織物外觀質(zhì)量具有深遠(yuǎn)的影響。紗線條干不勻常以質(zhì)量不勻率(線密度不勻率、條干不勻率)、直徑不勻率和捻度不勻率等不同的形式表現(xiàn)，其中直徑不勻率對紡織品外觀質(zhì)量的影響最突出[1]。遲開龍等[2]以4種不同規(guī)格的純棉紗線為例，提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測紗線條干不勻率的方法，并證明所提出的紗線條干均勻度檢測方法是可行的，可準(zhǔn)確高效地檢測出紗線的條干不勻值，客觀反映紗線的外觀質(zhì)量，依據(jù)經(jīng)形態(tài)學(xué)運算處理后得到的紗線局部放大圖像可發(fā)現(xiàn)紗線的直徑不勻。

文獻(xiàn)[3]中指出紗疵類型按出現(xiàn)概率的不同可分為常發(fā)性紗疵和偶發(fā)性紗疵，偶發(fā)性紗疵的粗細(xì)程度較常發(fā)性紗疵更為顯著，紗疵對紗線的質(zhì)量影響也越大。毛羽是紗線上的纖維突出部分，國外對紗線毛羽有了一定的研究。Chang等[4]探究了環(huán)錠紡中紗管回轉(zhuǎn)時紗線毛羽對能量消耗的影響發(fā)現(xiàn)，毛羽長度和毛羽根數(shù)對能量消耗起著決定作用，并表明減少紗線毛羽將有助于減少環(huán)錠紡的能耗。

為分析氣流對緯紗的牽引效應(yīng)，文獻(xiàn)[5-6]基于實驗測量，結(jié)合Fluent數(shù)值計算，較為詳盡地分析計算了多種緯紗隨氣流速度(供氣壓力)變化的牽引力(系數(shù))，Chen等[7]通過雙噴嘴射流性能的探究發(fā)現(xiàn)，織機(jī)耗氣量可進(jìn)行有效的控制，為織造工藝提供了一定的參考依據(jù)，但未涉及紗疵/毛羽對紗線氣流牽引特性的影響研究。目前，尚少見紗疵/毛羽對紗線氣流引緯影響的研究報道。

紗疵必然影響紗線的質(zhì)量，進(jìn)而影響紡織品的質(zhì)量評定與等級劃分。本文研究在文獻(xiàn)[5-6]的基礎(chǔ)上，圍繞不同紗疵類型，結(jié)合理論分析與數(shù)值計算手段，對氣流牽引含紗疵紗線進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過實驗測試對數(shù)值模擬的合理性進(jìn)行驗證，從而探究紗疵對緯紗的氣流牽引特性的影響。

1 紗疵等級劃分

圖1 紗疵對流場速度的影響Fig.1 Effect of yarn fault on airflow. (a) Yarn with long slub faults; (b)Yarn with long thin faults; (c)Yarns with short slub faults.

文獻(xiàn)[3]根據(jù)瑞士烏斯特公司生產(chǎn)的紗疵分級儀的分級方法，將紗疵分為短粗節(jié)、長粗節(jié)及長細(xì)節(jié)3大類，其中，紗疵截面相對原正常紗線截面尺寸粗100%以上、長度在8 cm以下的紗疵稱為短粗節(jié)；紗疵截面相對原正常紗線截面尺寸粗45%以上、長度在8 cm以上的紗疵稱為長粗節(jié)；紗疵截面相對原正常紗線截面尺寸細(xì)30%～75%、長度在8 cm以上的紗疵稱為長細(xì)節(jié)。在相同的流場中，長粗節(jié)、長細(xì)節(jié)和短粗節(jié)對流場速度的影響如圖1所示。由圖中速度等高線變化可發(fā)現(xiàn)，短粗節(jié)對流場的影響相對較大，故為探討紗疵對氣流牽引特性的影響，本文將重點探究短粗節(jié)紗疵。

結(jié)合紗疵形狀特征及紡織工藝，一般情況下，紗疵在流體作用下迎流面以鈍體狀呈現(xiàn)，因此，根據(jù)文獻(xiàn)[8]理論，可近似將紗線的短粗節(jié)紗疵看作球體或圓柱體，氣流作用情形如圖2所示。對于球體，可通過其直徑ds來劃分等級；對于圓柱體，可通過其直徑dc和長度lc來劃分等級，參照文獻(xiàn)[8]根據(jù)長度與直徑比對圓柱體阻力系數(shù)的研究，取lc/dc分別為2、4、8，可將每個等級劃分成3種。假設(shè)紗線的平均直徑為d，根據(jù)文獻(xiàn)[3]對紗疵的分級，將紗疵截面增量界值定為+100%、+150%、+250%、+400%。本文研究以線密度為36.9 tex的純滌綸紗為主要對象，通過金相顯微鏡測得紗線的平均直徑d為0.29 mm，按照球體和圓柱體截面直徑相對于紗線平均直徑的百分比，計算出球體和圓柱體的直徑界值為0.58、0.73、1.02、1.45 mm。

圖2 氣流作用情形Fig.2 Action of airflow on spheres (a) and cylinders(b)

2 紗疵阻力的數(shù)值計算

嵌入流體中的物體受到的牽引力F(對流體而言即為阻力)與流體的密度ρ、流體與物體的相對速度V、物體的迎流面積A和物體的牽引(阻)力系數(shù)CD相關(guān)，記為

對于靜止于流場中的物體，式中的速度V即為流體的速度[8]。

為獲得相對穩(wěn)定的流場，依照文獻(xiàn)[5]中的實驗裝置，即采用ZAX型噴氣織機(jī)主噴嘴，在導(dǎo)紗管后面加輔助管道設(shè)計了一種紗線牽引力測試裝置，并通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)在輔助管道中獲得平穩(wěn)的速度和密度，流體模型如圖3所示。利用Fluent模擬可獲得輔助管道中球體或圓柱體受到的氣流速度及密度。以直徑為1.5 mm的球體為例，當(dāng)主噴嘴供氣壓為0.3 MPa時，其受到氣流作用的速度如圖4所示。邊界條件參數(shù)的設(shè)定參照文獻(xiàn)[6]中列出的數(shù)據(jù)值，計算獲得每個節(jié)點的速度和密度，考慮邊界層厚度，采用取平均值的方法獲得氣流作用球體和圓柱體的速度及密度。

圖3 流體模型Fig.3 Fluid model

圖4 球體速度等高線圖Fig.4 Contour map of velocity in flow field with sphere

球體的阻力系數(shù)CD取決于雷諾數(shù)Re[9]

式中：dp為輔助管道直徑；μ為空氣黏度。因此有

根據(jù)Fluent數(shù)值模擬可獲得密度ρ和速度V，氣流的動力學(xué)黏度為1.79×10-5，根據(jù)雷諾數(shù)計算公式可知，輔助管道中雷諾數(shù)大于104，因此，計算阻力時取阻力系數(shù)CD為0.44。圓柱體的阻力系數(shù)CD取決于雷諾數(shù)和其長度與直徑之比，當(dāng)雷諾數(shù)大于104時，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，lc/dc為2、4、8時分別可取牽引力系數(shù)CD為0.85、0.87、0.99，計算得到球體和圓柱體受到的牽引力大小如表1所示。

表1 不同紗疵尺寸牽引力大小Tab.1 Drag force for different sizes of yarn faults

由計算的結(jié)果可知，對于短粗節(jié)紗疵，當(dāng)紗疵相對于紗線平均直徑越大，疵點受到氣流的牽引力也就越大，對引緯過程中紗線受到的牽引力影響也越明顯。

3 實驗驗證

注：A—采集儀；B—四合一放大器；C—動態(tài)電阻應(yīng)變儀； D—計算機(jī)設(shè)備；E—張力儀；F—主噴嘴；G—輔助管道。圖5 實驗裝置Fig.5 Experimental setup. (a) Experimental global graph; (b) Local view of auxiliary pipe

實驗測試裝置如圖5所示。其中氣路控制部分包括螺桿式空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、過濾器、冷凍干燥機(jī)等[5]。紗線一端直接固定，另一端懸掛砝碼，使紗線存在預(yù)張力，如圖5(b)所示。通過懸掛不同質(zhì)量(分別為5、10、20、50、100 g)的砝碼重新標(biāo)定擬合出紗線牽引力和微應(yīng)變(x)之間的關(guān)系為F=1.632 89x。與數(shù)值仿真的輔助管道一致，選取有效長度為250 mm、直徑為8 mm、主噴嘴在0.3 MPa供氣壓下，測得原始紗線的牽引力為0.4 733 N。置于輔助管道中的含固定球體紗線如圖6所示，實驗框架圖如圖7所示。

圖6 含固定球體紗線Fig.6 Yarn with fixed spheres

圖7 實驗框架示意圖Fig.7 Schematic of experimental test

按圖6示意，將3個球體固定于紗線上，根據(jù)球體直徑2、3、4 mm將實驗分為3組進(jìn)行測試，測得3組含有球體的紗線應(yīng)變值分別為0.317、0.344和0.385，根據(jù)紗線牽引力和微應(yīng)變之間標(biāo)定的系數(shù)以及原始紗線受到的牽引力，即可計算出每個球體受到的平均牽引力，并與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。當(dāng)球體直徑為2 mm時，由于不能得

表2 數(shù)值計算與實驗測試對比Fig.2 Comparison between numerical calculation and experimental test

到足夠大的球體與紗線的直徑比，導(dǎo)致有較大誤差，不過可發(fā)現(xiàn)二者間有較好的一致性，從而可認(rèn)為前述理論與數(shù)值計算具有較好的合理性。

4 短粗節(jié)紗疵對氣流牽引特性影響

基于上述實驗測試和數(shù)值模擬間較好的一致性，以球體模型化短粗節(jié)紗疵，進(jìn)一步探究短粗節(jié)紗疵對氣流牽引紗線特性的影響。紗線的牽引力公式[10]將含有球體的紗線受到牽引力分解成紗線受到的牽引力F0和球體受到的牽引力F′，即

由上式可知，牽引力由氣流特性和紗線特性共同決定，其中氣流特性由氣流密度ρ和氣流速度V組成，紗線特性采用紗線直徑d、紗線長度l進(jìn)行描述，牽引力特征以紗線牽引力系數(shù)CD作為比值參數(shù)呈現(xiàn)。由于輔助管道作為一維流場，流動特性比較穩(wěn)定，可知球體通過改變d和CD來影響牽引力的大小。

取長為△l的紗線，在主噴射流作用下通過實驗測試得到其牽引力為△F0，輔助管道中的氣流相對平穩(wěn)，可取△l紗線對應(yīng)的ρV2的平均值(Fluent數(shù)值模擬)。當(dāng)球體的直徑與紗線平均直徑d相等時，球體所受到的氣流牽引力為0。而當(dāng)球體直徑大于d時，球體所受牽引力由牽引力公式計算，其中CD取0.44[9]。若對于紗線含有n個球體，每個球體都對應(yīng)其氣流參數(shù)，即可將含有紗疵的紗線牽引力系數(shù)表示為

通過上述假設(shè)，將牽引力系數(shù)CD簡化為僅與球體數(shù)量和球體大小相關(guān)的關(guān)系式：

上式表明，當(dāng)球體間距較大時，阻力系數(shù)與球的數(shù)量、球體迎流面積成正比，這從理論層面進(jìn)一步說明紗疵的數(shù)量與大小對氣流牽引力的影響。

為直觀地比較隨著球體直徑、數(shù)量改變對紗線牽引力系數(shù)的影響，通過定義變化率來反映影響程度的大小。變化率定義為

式中，wi為紗線牽引力系數(shù)隨球體直徑增加第i次或數(shù)量增加第i次的值。

初始時假設(shè)球體直徑等于紗線直徑，并定義r為球體直徑與紗線直徑d的比，即初始時r為1，設(shè)r以公差0.5增加，則可得到相應(yīng)球體大小，假設(shè)球體直徑不超過2 mm，并設(shè)球體數(shù)量為10，可得到紗線牽引力系數(shù)隨球體直徑增加變化率如圖8(a)所示。初始時設(shè)球體數(shù)量為1，假設(shè)球體直徑為0.5 mm，可得到紗線牽引力系數(shù)隨著球體數(shù)量增加的變化率如圖8(b)所示。

圖8 球體對紗線牽引特性影響Fig.8 Influence of spheres diameter (a) and number (b) on drag force of yarn

從圖8可看出，隨著球體直徑增大，紗線牽引力系數(shù)的變化率呈現(xiàn)逐漸上升并趨于平緩狀態(tài)；而隨著球體數(shù)量的增多，牽引力系數(shù)的變化率呈逐次下降態(tài)勢。

5 結(jié) 語

基于紗疵在流體作用下迎流面以鈍體狀呈現(xiàn)現(xiàn)象，結(jié)合流體力學(xué)理論，提出將紗線局部紗疵模型化為球體和圓柱體理念，重點以短粗節(jié)紗疵為研究對象，結(jié)合理論分析方法與數(shù)值計算，對氣流牽引含短粗節(jié)紗疵紗線進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過實驗進(jìn)行了測試，對理論分析與數(shù)值模擬的合理性進(jìn)行了驗證，取得了較好的一致性，而進(jìn)一步分析所得的牽引力系數(shù)簡化模型對氣流引緯的深入探究不僅有一定的理論研究意義，同樣也有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。

FZXB

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Analysisonairflowdragcharacteristicsofyarnwithyarnfaults

ZHANG Rong， FENG Zhihua， LU Qing, CHEN Xiaoming

(CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China)

In order to study the influence of yarn faults on airflow drags yarn, an assumption simulating short slub yarn faults by spheres and cylinders was proposed firstly according to the shape feature of yarn faults in airflow. The drag force of short slub yarn faults were numerically calculated based on analysis on airflow results by Fluent. The drag forces of spheres as model of short slub yarn faults were tested by self-designed testing drag force device for main-nozzle air-jet weft insertion under 0.3 MPa inlet pressure. The rationality of numerical calculation of previous statement was verified, and the consistency was obtained. Finally, the influence of short slub yarn faults on drag coefficient was studied. It is found that the change rate for coefficient of drag force increases firstly then verges to stabilization gradually with the diameter of yarn faults increasing. In addition, the change rate for coefficient of drag force presents descending tendency gradually with increase of the quantity of yarn faults.

yarn; yarn fault; air drag; numerical calculation; coefficient of drag force

10.13475/j.fzxb.20160902706

TS 101.2

A

2016-09-18

2017-08-11

張榮(1991—)，男，碩士生。主要研究方向為新型紡織機(jī)械、機(jī)電子流動態(tài)行為及其控制。馮志華，通信作者，E-mail:zhfeng@suda.edu.cn。