袁龍超， 李新榮， 郭 臻， 蔣秀明

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387)

噴氣渦流紡是由噴氣紡發(fā)展而來的新型紡紗技術(shù)，其紡紗速度可達(dá)450 m/min，紗線強力接近傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線，且在條干均勻性、毛羽指數(shù)等性能上超越傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線，是一項非常有發(fā)展前景的紡紗技術(shù)[1-3]。目前產(chǎn)品開發(fā)成熟度較高的是日本村田公司和瑞士立達(dá)公司。國內(nèi)江陰華方新技術(shù)科研有限公司和陜西華燕航空儀表有限公司也擁有此產(chǎn)品，并在技術(shù)上趨于成熟。日本村田是最早開發(fā)出噴氣渦流紡設(shè)備的公司，且市場占有率高，因此，許多學(xué)者在日本村田噴氣渦流紡設(shè)備(MVS)的基礎(chǔ)上，對噴氣渦流紡關(guān)鍵部件——噴嘴的結(jié)構(gòu)(前羅拉夾持點到空心錠子距離、導(dǎo)引體結(jié)構(gòu)、噴氣孔結(jié)構(gòu)、空心錠子結(jié)構(gòu)、渦流室結(jié)構(gòu))以及工藝參數(shù)展開了一系列的理論和實驗研究。理論研究通常采用計算流體動力學(xué)的數(shù)值計算方法(CFD)模擬渦流室內(nèi)氣流情況。有些學(xué)者還進(jìn)一步考慮流固耦合建立了更精確的分析模型。研究包括不同噴嘴結(jié)構(gòu)時紡出的紗線質(zhì)量以及高速攝像技術(shù)[4]、示蹤纖維技術(shù)等其他一些輔助實驗手段。

本文闡述了噴氣渦流紡的成紗機(jī)制，分析了噴嘴結(jié)構(gòu)以及采用數(shù)值模擬方法的最新研究進(jìn)展，總結(jié)出目前研究的現(xiàn)狀與不足，并預(yù)測了未來的研究方向。

1 噴氣渦流紡成紗機(jī)制

噴氣渦流紡屬于半自由端紡紗，纖維束從前羅拉喂入噴嘴中的渦流室，其中的長纖維在氣流作用下集聚加捻形成芯紗，而短纖維在旋轉(zhuǎn)氣流作用下被驅(qū)散開形成自由端纖維，并在氣流的作用下不斷包纏在芯紗上。MVS設(shè)備噴嘴部件主要包括導(dǎo)引體、導(dǎo)引針、噴氣孔、渦流管、空心錠子，如圖1所示。

設(shè)備紡紗過程如圖2[5]所示。經(jīng)過羅拉牽伸后的平行纖維須條被噴嘴入口的負(fù)壓吸入螺旋導(dǎo)引通道，隨后由導(dǎo)引針導(dǎo)入渦流室內(nèi)部，纖維的頭端隨著紗尾進(jìn)入空心錠子通道，其尾端脫離前羅拉后在渦流室內(nèi)氣流的作用下從纖維須條中剝離形成自由端纖維，并倒伏在空心錠子上繼續(xù)在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下旋轉(zhuǎn)運動包纏在芯紗上，邊包纏邊隨著紗尾輸送，最終形成擁有包纏纖維和芯紗結(jié)構(gòu)的噴氣渦流紗[6-7]。

θ為噴氣孔角度。圖1 噴氣渦流紡噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Jet vortex spinning nozzle structure

圖2 紡紗過程示意圖Fig.2 Spinning process. (a) Fiber bundle passing through needle; (b) Some fibers forming free-end fibers; (c) Free-end fibers lodged on hollow spindles; (d) Free-end fiber wraping around core yarn

2 噴嘴結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展與討論

由噴氣渦流紡成紗機(jī)制可知，噴嘴結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)對紗線加捻，其結(jié)構(gòu)的變化會影響噴嘴內(nèi)的氣流，進(jìn)而影響纖維在氣流作用下的運動，纖維的運動又影響成紗質(zhì)量。

2.1 距離結(jié)構(gòu)參數(shù)

纖維須條經(jīng)過牽伸后喂入噴嘴上的導(dǎo)引體入口，最后由空心錠子輸送出來，纖維束在以上2個結(jié)構(gòu)之間完成加捻的工藝過程，因此，前羅拉鉗口到內(nèi)部空心錠子距離的不同可能會影響紡紗質(zhì)量。此外，也有學(xué)者就位于該距離之間的渦流管入口到空心錠子入口距離對紡紗質(zhì)量影響進(jìn)行研究，認(rèn)為這2個距離結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴氣渦流紡的影響是有差別的，應(yīng)當(dāng)分別討論。

2.1.1前羅拉鉗口到空心錠子入口距離

結(jié)合噴氣渦流紡的成紗機(jī)制與對噴氣渦流紗中纖維的空間軌跡研究[8]可清楚地認(rèn)識到噴氣渦流紡的成紗過程與紗線結(jié)構(gòu)。Tyagi等[9-10]的實驗研究將加捻后的紗線分為4類：1)有50%芯紗和50%包纏纖維以45°包纏的緊包纏結(jié)構(gòu)；2)與第1類結(jié)構(gòu)相似，但包纏更加松弛的松包纏結(jié)構(gòu)；3)無規(guī)則包纏結(jié)構(gòu)；4)無包纏結(jié)構(gòu)。其分析指出：當(dāng)增加前羅拉鉗口到內(nèi)部空心錠子的距離時，會因為產(chǎn)生更多的包纏纖維增加第2類包纏結(jié)構(gòu)，同時會減少第1類包纏結(jié)構(gòu)和第4類包纏結(jié)構(gòu)，也會產(chǎn)生更多的毛羽，并減少紗線強力；若同時增大距離和氣壓，會使得包纏纖維增加，芯紗比例降低。

由于隨著纖維須條的輸送，纖維頭端位于紗芯中，纖維的尾端受到前羅拉的夾持，這種狀態(tài)下纖維兩端被較好地約束，氣流對其影響比較小。當(dāng)纖維尾端脫離了前羅拉鉗口后就會在氣流的作用下形成自由端纖維，倒伏在空心錠子上隨氣流運動，因此，前羅拉鉗口到內(nèi)部空心錠子距離變化會影響纖維頭端在芯紗中的長度與形成自由端纖維長度的分配比例，進(jìn)而影響自由端纖維受到氣流作用后的包纏效果。Zou等[11]結(jié)合CFD流場數(shù)據(jù)，考慮了纖維受到的離心力、紗尾的握持力、壁面的摩擦力，建立了表征自由端纖維脫離芯紗的臨界角速度(ωfc)的表達(dá)式，并提出如果增大前羅拉鉗口到內(nèi)部空心錠子的距離，將減弱對纖維的控制，形成芯紗的纖維頭端長度也會減小。ωfc降低，纖維頭端更易從紗尾中抽拔出來，從而導(dǎo)致纖維損失和產(chǎn)生更多的紗線細(xì)節(jié)，所以減少這個距離可降低纖維損失率，減少紗線細(xì)節(jié)的產(chǎn)生；但是不能無限制地減少，否則會減少形成自由端纖維的長度，對紗線的包纏加捻不利。Zuo等[12]實驗結(jié)果表明：隨著距離從20 mm增大到21 mm，紗線毛羽指數(shù)先增加后減??；如果距離較小，從前羅拉鉗口到紗尾的紗線會被很好地控制住，導(dǎo)致產(chǎn)生較少的自由端纖維，從而減少毛羽指數(shù)。當(dāng)距離增大到21 mm時，自由端纖維的長度更長，導(dǎo)致其更易被渦流室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流包纏，反而降低了紗線毛羽指數(shù)。同時通過示蹤纖維成像技術(shù)[13]驗證了前羅拉鉗口到空心錠子入口的距離越小，芯纖維越長，但是芯纖維變長會使包纏纖維比例降低，其結(jié)果與Basal等[14]的一致。Tyagi等[15-17]還認(rèn)為，較大的距離可增加紗線的松包纏結(jié)構(gòu)，使得紗線的拉伸和壓縮性能更佳。

綜合以上討論認(rèn)為，較小的距離會減少自由端纖維，從而減少纖維損失和毛羽，但會犧牲包纏效果，進(jìn)而降低成紗強力；然而隨著距離逐漸增大，自由端纖維長度會增加，反而有利于加捻，使得毛羽更少，紗線強力也會有所提升：因此，這個距離參數(shù)應(yīng)當(dāng)綜合考慮纖維長度、纖維間的摩擦力、纖維材料的剛度等影響因素，并與噴嘴氣壓相配合尋求最優(yōu)解。

2.1.2渦流管入口到空心錠子入口距離

渦流管入口到空心錠子入口距離包含于前羅拉鉗口到空心錠子入口距離之間。渦流管入口處雖然沒有提供氣壓，但是在內(nèi)部流場的影響下會在入口處產(chǎn)生負(fù)壓，起到將纖維束拉入渦流室的作用，因此，應(yīng)當(dāng)排除前羅拉夾持作用的影響，著重討論這個距離參數(shù)對入口產(chǎn)生的負(fù)壓以及流場的影響，進(jìn)而討論對纖維的影響。Zou等[18]建立了渦流室內(nèi)渦流切向力T的表達(dá)式，認(rèn)為渦流管入口到空心錠子入口的距離越大，空心錠子入口的負(fù)壓就越高，可更有效地使纖維束進(jìn)入渦流室，而且使得渦流室的空隙變大，將有利于自由端纖維的加捻。其中的T表達(dá)式雖然包含纖維直徑參數(shù)，但是其研究仍主要考慮氣流的流動特性，未考慮纖維與氣流耦合等問題。

Pei等[19-20]進(jìn)一步考慮纖維與氣流耦合作用，數(shù)值模擬了纖維在噴氣渦流紡噴嘴高速氣流中的運動與變形。結(jié)果表明：當(dāng)渦流管入口到空心錠子入口距離為13 mm時，纖維在完全進(jìn)入空心錠子前經(jīng)歷3個包纏周期；當(dāng)距離為13.5 mm時經(jīng)歷2.5個包纏周期；當(dāng)距離為14 mm時經(jīng)歷3.5個包纏周期。Pei等指出最佳距離為14 mm。從仿真結(jié)果來看，隨著距離增大，纖維反而獲得更多的包纏，這與Zou等[21]的某些觀點相同。其分析考慮了導(dǎo)引體部分，但并沒有進(jìn)一步加大這個距離以觀察包纏效果。

2.2 導(dǎo)引體結(jié)構(gòu)

MVS噴氣渦流紡噴嘴中的導(dǎo)引體包含螺旋導(dǎo)引體和導(dǎo)引針，由于專利權(quán)原因在瑞士立達(dá)的設(shè)備中設(shè)計了具有相似功能的凸臺[22]，其主要作用是疏導(dǎo)紗線，同時還有阻止捻度上傳至前羅拉的作用[6-7]。紗線從前羅拉輸出，被負(fù)壓吸入噴嘴進(jìn)口的螺旋纖維通道，隨后纖維在導(dǎo)引針作用下進(jìn)入渦流室。

在紡紗過程中導(dǎo)引體與纖維始終接觸，纖維受力主要為壁面摩擦力，因此，主要研究對象應(yīng)當(dāng)是纖維與壁面的作用問題。Li等[23]運用CFD仿真討論了導(dǎo)引針到空心錠子入口的距離(0.5、1、1.5、2、2.5 mm)對紡紗質(zhì)量的影響，分析不同參數(shù)下噴嘴內(nèi)部渦流區(qū)的壓力分布以及速度矢量，得出1.5 mm為最佳距離，可使紗線有更好的強力和較少的毛羽指數(shù)，其次這個距離對噴嘴出口的速率沒有直接影響。其最優(yōu)參數(shù)的確定主要依據(jù)是由流場參數(shù)的變化推斷出對纖維的影響，沒有考慮導(dǎo)引體壁面對纖維的摩擦作用，通過與Shang等[24]的實驗對比便可看出，其分析與實際情況存在偏差。實驗中得到紡特定粘膠纖維的情況下導(dǎo)引體最佳的螺旋角度為35°，導(dǎo)引針最佳長度為1 mm。

目前對于導(dǎo)引體螺旋面角度參數(shù)和摩擦作用的理論研究還很少，由于日本村田MVS噴氣渦流紡設(shè)備中設(shè)計了導(dǎo)引針，因此，許多學(xué)者對導(dǎo)引針的結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，而瑞士立達(dá)的凸臺結(jié)構(gòu)反而使紡出的紗線更柔軟。Eldeeb等[25]以瑞士立達(dá)噴嘴結(jié)構(gòu)為依據(jù)對噴嘴內(nèi)部流場情況進(jìn)行了分析，并解釋了成紗機(jī)制，但并未對其導(dǎo)引體進(jìn)行分析，因此，對于導(dǎo)引體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)設(shè)定還有待進(jìn)一步研究。此外由于導(dǎo)引體與渦流管相接通，也就是說實際由渦流管內(nèi)部流場產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)氣口應(yīng)當(dāng)位于導(dǎo)引體入口，因此，導(dǎo)引體通道的空間大小和形態(tài)必然會影響入口負(fù)壓與渦流管內(nèi)部流場狀態(tài)?？煽闯鲈贛VS產(chǎn)品的設(shè)計中意圖將此空間增大，目前缺乏對于這方面的流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.3 噴氣孔結(jié)構(gòu)

噴氣孔的主要作用是向渦流室內(nèi)噴射氣流。氣流在渦流管內(nèi)部形成旋渦式流場，隨后沿著空心錠子與渦流管的間隙螺旋式流出，其流線如圖3所示。

圖3 渦流管內(nèi)部流線Fig.3 Streamline inside vortex tube

一些學(xué)者將噴氣渦流紡噴嘴復(fù)雜的結(jié)構(gòu)做了大幅度簡化，研究了簡化后的噴嘴結(jié)構(gòu)變化對內(nèi)部流場的影響，這種基礎(chǔ)性研究方法可使人們直觀地認(rèn)識結(jié)構(gòu)對于流場的影響。Sun等[26]將噴氣渦流紡噴嘴部件簡化成有不同長度和噴氣孔角度的同心圓管模型。由于不同文獻(xiàn)角度標(biāo)注方式不同，噴氣孔角度θ以圖1所示做為后續(xù)討論的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)中運用CFD方法模擬不同噴氣孔角度對管內(nèi)渦流的影響。隨著角度由35°增大到55°，噴氣孔上游和下游的渦流都增強，這將有利于纖維加捻；但同時反向氣流增大阻礙纖維被拉入渦流加捻區(qū)，限制紗線強度，因此，最佳的噴氣孔角度要綜合考慮纖維加捻和將纖維拉入渦流加捻區(qū)2方面。隨噴氣孔直徑從0.3 mm增大到0.5 mm，氣流切向速度增大，環(huán)形區(qū)域的軸向氣流速度增大，當(dāng)擴(kuò)大到0.5 mm時，會在內(nèi)部出現(xiàn)反向氣流，綜合考慮氣流軸向和切向速度認(rèn)為，0.4 mm為理想直徑。文獻(xiàn)中設(shè)定了噴氣孔數(shù)目分別為4、5、6，通過計算得出當(dāng)噴氣孔數(shù)量增大，氣流切向速度增大，2根管之間的軸向速度增大，同時內(nèi)管內(nèi)部的軸向反向氣流也增大。受這種反向氣流影響，會產(chǎn)生明顯的軸向氣流速度擾動，不利于纖維有規(guī)律的運動。通常情況下綜合考慮氣流流動特點和能耗，4個噴孔就可滿足理想的渦流強度和較低的能耗。同時設(shè)計了粒子圖像測速實驗(PIV)驗證比的理論，吻合度較好。這種方法從理論到實驗全面地分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的流場變化情況；但是其模型不僅忽略了對紗線自身特性的考慮，還將噴氣渦流紡噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅度簡化，這種僅分析流場的簡化結(jié)構(gòu)與實際情況會存在差距。

在研究流場狀態(tài)時，學(xué)者們通常將氣流速度分解為軸向速度、切向速度和周向速度，其中軸向速度和切向速度尤為重要。氣流的軸向速度分量有將纖維拉入渦流室和剝離尾端纖維的作用，其切向速度分量對纖維加捻的運動狀態(tài)有著重要影響，因此，渦流管內(nèi)幾個主要位置的氣流速度分量大小和方向成為研究的焦點。Zou等[21]在運用CFD方法模擬渦流室內(nèi)的流場狀態(tài)時指出，隨噴嘴角度的增大，切向速度增大，軸向速度減小。切向速度的增大有利于使被切向氣流擴(kuò)散開的自由端纖維加捻，增加紗線的強度。噴嘴角度對切向氣流速度的影響沒有明顯規(guī)律。渦流室內(nèi)的軸向負(fù)壓會隨著噴嘴角度的增大而呈先增大后減小的趨勢，臨界角度是60°。軸向負(fù)壓增大，更有利于紗線被吸入空心錠子。目前對于噴氣孔結(jié)構(gòu)的研究仍然主要針對流場進(jìn)行分析，得到隨噴氣孔角度變化的氣流變化規(guī)律。Eldeeb等[25]對瑞士立達(dá)的噴嘴結(jié)構(gòu)流場分析中，關(guān)于3個氣流分量在成紗過程中的作用機(jī)制的結(jié)論與Zou等[13]的研究結(jié)果基本一致。

研究人員通常討論的噴氣孔結(jié)構(gòu)還包括噴氣孔數(shù)量和噴氣孔的空間位置。王超等[27]認(rèn)為在流量相同的情況下，紡紗腔內(nèi)渦流強度與進(jìn)氣噴嘴數(shù)量和方向相關(guān)。進(jìn)氣噴嘴數(shù)量越多，紡紗腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流越均勻，渦流強度越強。進(jìn)氣噴嘴方向同時影響渦流強度和軸向速度，在紡紗腔出口處有回流，紡紗腔內(nèi)渦流強度越大，回流越強。Pei等[19]建立二維流固耦合模型分析了不同噴氣孔角度和噴氣孔直徑下纖維的運動狀態(tài)及對紗線質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，角度的增大并不會增加自由端纖維的剝離程度，而是在70°時剝離程度最高，此工況下的成紗質(zhì)量最好，這與Zou等[21]單純的流場分析結(jié)論存在一定差異。隨噴氣孔直徑的增大，自由端纖維的分散程度減小，旋轉(zhuǎn)的振幅增大，卷繞的圈數(shù)先增大后減小，因此，過多增加直徑?jīng)]有意義。

其他方面，Li[28]研究了噴氣孔和噴嘴軸向的距離對紡紗質(zhì)量的影響，通過三維CFD模型從理論上分析表明該距離對噴嘴內(nèi)氣流和紡紗質(zhì)量有重要影響，應(yīng)盡可能選用較小的距離，但是不能使噴出的氣流直接沖擊空心錠子，否則成紗質(zhì)量很差，并通過紡純粘膠纖維實驗進(jìn)行了驗證。Shang等[24]通過實驗得到紡特定粘膠纖維情況下噴氣孔最佳參數(shù)，即噴氣孔角度為50°，直徑為0.4 mm，數(shù)量為5個。其最佳噴孔直徑參數(shù)與Sun等[26]的結(jié)論相同，但是噴孔最優(yōu)角度與數(shù)量又與其他研究人員[19,21]的仿真分析存在差異。

通過研究發(fā)現(xiàn)，噴氣孔角度改變必然會帶來速度分量的變化，然而，這種通過觀察CFD仿真得到流場參數(shù)變化進(jìn)而得到最優(yōu)參數(shù)的研究方法會帶來不同結(jié)論，源于幾個方面：1)三維模型結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致流場仿真區(qū)域不同；2)求解流場的控制方程與邊界條件的設(shè)定不同。3)僅對流場的變化規(guī)律分析然后推測對纖維的影響具有一定主觀性。其中第3點是研究者最應(yīng)重視的情況，僅依托對流場變化的分析而忽視纖維的運動，其結(jié)論有局限性，因此，考慮纖維與氣流耦合的分析方法可能會成為今后的發(fā)展趨勢。

2.4 空心錠子結(jié)構(gòu)

在紡紗過程中，自由端纖維在氣流的作用下會倒伏在空心錠子的入口附近，加捻后的紗線會通過錠子的空心通道送出，因此，空心錠子結(jié)構(gòu)對成紗質(zhì)量有重要影響。應(yīng)該注意到空心錠子是與渦流管形成配合關(guān)系的結(jié)構(gòu)，在討論空心錠子外徑和錐面角度變化時還應(yīng)考慮：第1方面，在渦流管結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下會改變渦流室空間的大小，進(jìn)而影響內(nèi)部流場；第2方面，這2個結(jié)構(gòu)參數(shù)對與之接觸的纖維運動狀態(tài)有一定影響。

對于第1方面，Zou等[18,21]提出空心錠子外徑對渦流室內(nèi)負(fù)壓的影響明顯。空心錠子外徑越小，則渦流室內(nèi)負(fù)壓越大，將紗線拉入渦流室的力就越大，有利于紗線進(jìn)入空心錠子。相同流量下，隨著空心錠子外徑增大，渦流速度會增大，進(jìn)而渦流切向速度增大，由渦流產(chǎn)生的加捻力增大，可提高紗線強力，但是增大外徑將會減少自由端纖維的加捻空間，影響加捻效果。Pei等[29]根據(jù)數(shù)值模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測了空心錠子圓錐角度對紗線強力的影響，認(rèn)為隨著錠子圓錐角度從10°增大到25°紗線的強力降低。隨著角度的增大圍繞圓錐形錠子的軸向氣流分量會減少，通過空心錠子與渦流管空隙排出的氣體會被阻礙。如果角度過大，氣流會反向流動。纖維很難被吸入渦流室，還會導(dǎo)致渦流室內(nèi)氣流分布被擾亂而變得沒有規(guī)律，使得紡紗強力降低。由于空心錠子內(nèi)徑尺度較小，因此對流場的影響不大， 這也得到了Sun等[26]的研究證明。

研究人員通常將CFD計算區(qū)域設(shè)計為噴氣孔的入口和出口直徑相等，實際上MVS產(chǎn)品的噴氣孔是進(jìn)口直徑大約為出口的2倍，據(jù)此建立三維模型進(jìn)行CFD仿真，若將進(jìn)口速度設(shè)置為260 m/s[21]，其出口速度可達(dá)到3倍音速以上，也就是說MVS產(chǎn)品噴嘴渦流室內(nèi)部分區(qū)域可能達(dá)到超音速。Guo等[30]建立了二維模型，將噴孔入口壓力設(shè)為定值，認(rèn)為適當(dāng)?shù)販p少空心錠子圓錐角度可增大渦流室的橫截面區(qū)域，使得錠子上方的旋轉(zhuǎn)渦流、渦流室內(nèi)超音速區(qū)域和錠子外壁的壁面切應(yīng)力分布都有利于提高紡紗質(zhì)量；但是過小的錠子圓錐角度會產(chǎn)生過大的超音速區(qū)域和較低的壁面切應(yīng)力，導(dǎo)致纖維損失率增高和加捻效率降低。在不同的研究中，一些研究人員的CFD仿真結(jié)果并未達(dá)到超音速，且入口條件設(shè)置不同，計算得到的噴嘴內(nèi)部氣流速度不盡相同，也就是說學(xué)者們對于紡紗過程中渦流室內(nèi)速度值的確定仍比較模糊，針對不同的纖維品種，也應(yīng)該有不同的最佳氣流速度；因此，有待于通過實驗和仿真研究進(jìn)行詳細(xì)討論，以便合理地設(shè)置噴嘴入口邊界條件。

僅考慮流場情況顯然是片面的，有些研究人員綜合考慮了第2方面的影響。Pei等[31]在分析了流固耦合模型中的纖維運動后認(rèn)為，當(dāng)錠子圓錐角減小時，紗線的分散度會增大，這將產(chǎn)生更多的自由端纖維，有利于紗線強力的提高。隨著錠子內(nèi)徑增大，紗線卷繞的圈數(shù)會降低，從而降低紗線強力。實驗研究方面，Ortlek等[32]提出更大的空心錠子內(nèi)徑會產(chǎn)生更多的毛羽指數(shù)，因為在內(nèi)徑較大的情況下纖維束會更自由地移入錠子，包纏不緊，產(chǎn)生更多毛羽，還會減小纖維之間的摩擦，從而使紗線強力降低。Kuthalam等[33-34]在研究了內(nèi)徑對紗線強力和毛羽的影響后認(rèn)為，由于加捻后的紗線從空心錠子通道送出，纖維與纖維之間的摩擦力對紗線的強力有重要影響，對于粗支紗來說，橫截面中有更多的纖維，當(dāng)錠子內(nèi)徑從1.2 mm增加到1.4 mm時，纖維間的摩擦力沒有明顯改變，而對于中等線密度的紗線，直徑增大會降低纖維緊密度，從而使成紗強力顯著降低。他們還認(rèn)為錠子內(nèi)徑過大會使包纏纖維更松弛，纖維束可以自由移動，這會給粗支和中支紗帶來包纏損失、包纏松弛和毛羽增加的問題。從學(xué)者們的研究中不難發(fā)現(xiàn)，錠子空心通道主要是通過對纖維束的約束作用來影響紡紗質(zhì)量的。Basal等[14]也指出，較小的錠子直徑會降低毛羽指數(shù)。

目前在空心錠子結(jié)構(gòu)方面有一些創(chuàng)新性研究：張肖斌等[35]將空心錠子外錐面設(shè)計為螺旋紋路，有利于增加纖維與壁面間的摩擦力，從而使自由端纖維自身能產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)，并保持這種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)完成紡紗，從而提高最終成紗的強力；裴澤光等[36]設(shè)計了一種錠子通道內(nèi)壁有螺旋形的凹槽，同時開孔提供負(fù)壓，使得紡紗過程中紗條主體在離心力的作用下進(jìn)入引紗通道內(nèi)壁上的螺旋形凹槽中。螺旋形凹槽顯著降低紗條主體在回轉(zhuǎn)渦流帶動下產(chǎn)生的假捻，同時提供負(fù)壓，可使須條的結(jié)構(gòu)更緊密。直觀地理解這些設(shè)計方案雖然都有一定道理，但是因加工制造比較困難且缺乏相關(guān)理論分析與實驗數(shù)據(jù)等資料，其實用價值有待考證。

2.5 渦流管結(jié)構(gòu)

渦流管內(nèi)部包含空心錠子，同時渦流管上開有噴氣孔。渦流管與內(nèi)部空心錠子間的腔體形成了渦流室，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)形態(tài)必然對氣流流動有著直接的影響，進(jìn)而影響紡紗質(zhì)量。在Sun等[26]的同心圓管簡化模型中，外管相當(dāng)于渦流管，與內(nèi)管的間隙構(gòu)成渦流室。外管直徑增大會使內(nèi)部氣流切向速度降低，影響纖維加捻效果，因此，過大的直徑對紡紗不利。

大多數(shù)有關(guān)渦流管的研究報道都認(rèn)為，其內(nèi)部直徑是不變的，實際的MVS噴嘴渦流管內(nèi)部設(shè)計有階梯，噴氣孔出口設(shè)計在階梯交界處。尚珊珊等[37]研究了三段式的渦流管結(jié)構(gòu)，噴氣孔打在渦流管內(nèi)壁第1段和第1段連接的楞上，這樣有較充足的空間可使氣流旋轉(zhuǎn)更穩(wěn)定。采用CFD仿真的方法證實了這個觀點，且由于噴氣孔所在的第2段的直徑比第1段大，因此，氣流回流趨勢小。其結(jié)論也進(jìn)一步得到其他研究人員的證實，Li等[38]設(shè)計了8種渦流管結(jié)構(gòu)，通過三維CFD仿真和紡紗實驗研究了不同結(jié)構(gòu)對紡紗質(zhì)量的影響。研究中采用2類不同的渦流管結(jié)構(gòu)，即二段式和三段式，并設(shè)置不同的噴嘴位置，從渦流室結(jié)構(gòu)和噴嘴位置這2個方面研究對紡紗質(zhì)量的影響。認(rèn)為與二段式結(jié)構(gòu)相比，三段式更有利于紡紗。在三段式結(jié)構(gòu)中，最大負(fù)壓出現(xiàn)在噴氣孔出口下方更靠近纖維的位置，有利于產(chǎn)生更多的自由端纖維，從而包纏纖維就越多，同時切向速度更大，有利于提高紗線加捻程度，進(jìn)而提高紗線強力。當(dāng)噴氣孔位置在第1段和第2段階梯交界處時，紗線質(zhì)量最好。

此外應(yīng)該注意到，渦流管內(nèi)表面有一段圓錐面，此部分與空心錠子一段錐面構(gòu)成間隙，是渦流管內(nèi)氣流的主要排出通道。在噴氣孔入口流量不變的情況下，改變2個錐面圍成的出口截面積，必然會影響內(nèi)部流場。通過CFD仿真可知出口會產(chǎn)生回流，而實際生產(chǎn)中設(shè)備會提供負(fù)壓抽氣。這些少有文獻(xiàn)進(jìn)行直觀的分析，還有待進(jìn)一步完善。

3 噴氣渦流紡數(shù)值模擬研究進(jìn)展

3.1 對流場進(jìn)行數(shù)值模擬

由于噴氣渦流管噴嘴內(nèi)部流場以及纖維運動的復(fù)雜性，許多學(xué)者采用CFD仿真方法建立二維或三維模型對噴嘴內(nèi)的流場進(jìn)行分析，討論不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下流場的變化，結(jié)合噴氣渦流紡的成紗機(jī)制推測流場變化給纖維運動帶來的影響，從而推測對成紗質(zhì)量的影響。隨著計算機(jī)硬件的發(fā)展，對于噴氣渦流紡這種規(guī)模的實際問題，三維CFD仿真易于實現(xiàn)[39]，也更有參考價值。

選用合適的流場控制方程以及湍流輸運方程，對提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響，這些控制方程的選用往往要依據(jù)實際情況決定。流體計算最基本的控制方程包括連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程，對于可壓縮性氣體，還需考慮理想氣體狀態(tài)方程[40]。在噴氣渦流紡流場數(shù)值模擬研究中，研究人員在控制方程與湍流輸運方程的選取上存在著一些差異。Zou等[18,21]在研究中將流體假設(shè)為黏性、不可壓縮，不考慮熱交換的氣體，并運用standardk-ε湍流模型。Li等[23,38]的一些研究中將流體考慮為黏性、可壓縮，并運用standardk-ε湍流模型。Eldeeb等[25]將流體考慮為黏性、可壓縮，并采用realizablek-ε湍流模型。上述研究均是在Fluent軟件中進(jìn)行計算的，可看出這些研究主要是在可壓縮性的判斷和湍流模型的選用上存在差異。

對于實際問題，一般當(dāng)氣體流速達(dá)到亞音速，即Ma位于0.3～0.8之間，其可壓縮性就不可忽略。通過學(xué)者們的計算以及實際測量，若噴氣渦流紡噴嘴入口氣壓設(shè)置為實際工況采用的0.5 MPa，其內(nèi)部會產(chǎn)生亞音速，甚至超音速區(qū)域；因此，大多數(shù)研究人員選擇將氣體考慮為可壓縮是比較可靠的。在Fluent中包含3種k-ε湍流模型，其中standardk-ε應(yīng)用最為廣泛，RNGk-ε和realizablek-ε是前者的改進(jìn)型，可解決更復(fù)雜的湍流問題。其中realizablek-ε方程中包含與平均應(yīng)變率、旋轉(zhuǎn)率、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角速度以及湍流場參數(shù)的函數(shù)有關(guān)的參數(shù)，被認(rèn)為可更好地體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流動特性，此外軟件中還包括其他更復(fù)雜的湍流模型[41]?？烧J(rèn)為噴氣渦流紡流場包含旋流，且流動較為復(fù)雜，realizablek-ε湍流模型更適合被采用；然而，驗證理論準(zhǔn)確性最可靠的辦法是實驗[42]，對于噴嘴這種結(jié)構(gòu)尺度小的產(chǎn)品來說，實驗測量有一定困難，因此，運用流體實驗中的相似準(zhǔn)則是可行的辦法之一[40]。對于噴氣渦流紡流場數(shù)值模擬最優(yōu)計算模型的選用還有待深入研究。此外，這種仿真方法雖然可對實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用，但是無法獲得針對不同纖維的噴嘴結(jié)構(gòu)上的最優(yōu)解，將纖維與氣流的耦合考慮在內(nèi)會成為進(jìn)一步理論研究的趨勢。

3.2 考慮纖維與氣流耦合作用的數(shù)值模擬

實際上正是由于紗線在噴嘴中的運動形成了噴氣渦流紗的特殊結(jié)構(gòu)[6]，在討論噴嘴紡紗質(zhì)量好壞這一問題時，不能忽視紗線受力之后的運動特性，因為纖維受力之后的運動特性不僅與其所受氣流作用力、壁面作用力和纖維與纖維之間作用力有關(guān)，同時與自身的物理特性有關(guān)。

已有一些研究者對纖維在流場中的動力學(xué)行為進(jìn)行理論研究，為便于理論分析需要將纖維簡化成理論模型，但由于纖維細(xì)長、有彈性和柔性等特點，其模型的建立比一般的剛性固體要復(fù)雜。一些研究者將纖維簡化為非球形剛體粒子模型，Chiba等[43]將纖維視為可旋轉(zhuǎn)的橢球體，研究了其在各種復(fù)雜形狀管道內(nèi)的運動特性。Lin等[44]構(gòu)建了圓柱狀粒子纖維模型，研究其在流體中的運動特性。這種剛性粒子模型可反映纖維的位置和取向，但無法描述纖維的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等變形。更多的研究者將纖維簡化為多剛體鏈?zhǔn)侥Ｐ?，Zeng等[45]將纖維視為由若干個球通過連桿連接，運用二維數(shù)值模擬分析了這一模型對單根纖維在噴氣紡第1噴嘴流場中的運動，其模擬結(jié)構(gòu)與在高速攝像下觀測到的現(xiàn)象較為符合。這種模型可通過改變球體間距離、連接角度和旋轉(zhuǎn)角度來模擬纖維的變形。這些研究大都未考慮纖維對流場的影響，即實現(xiàn)雙向耦合。

雙向流固耦合數(shù)值模擬已成功運用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流固耦合分析[46]、流體管道流固耦合震動分析[47]等研究中，這些問題在仿真軟件上也較為利于實現(xiàn)。任意拉格朗日-歐拉法(ALE)是一種常用的流固耦合求解方法，其計算過程是在1個時間步內(nèi)將流體計算的應(yīng)力數(shù)據(jù)傳遞給固體，固體產(chǎn)生相應(yīng)的位移后將節(jié)點位移數(shù)據(jù)再傳遞給流場，流場重新劃分網(wǎng)格后進(jìn)行計算，每個時間步計算完畢后更新流場與固體載荷的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行下一個時間步的計算[48]。Sawada等[49]采用ALE方法研究了旗子在風(fēng)中飄動的雙向流固耦合問題，其模擬的旗子飄動與實際情況相近；但在噴氣渦流紡紗中，纖維在氣流的作用下會與噴嘴結(jié)構(gòu)中的渦流管和空心錠子壁面發(fā)生接觸，這就引入了結(jié)構(gòu)分析上的接觸問題，當(dāng)耦合界面與固體壁面接觸或穿透時，在流場分析中會出現(xiàn)網(wǎng)格負(fù)體積而中止計算。一些研究者嘗試解決這一問題，金玉珍等[50]引用了纖維與壁面接觸模型使得數(shù)值計算過程不會因為發(fā)生壁面接觸而終止。

Pei等[19-20]建立了一種二維矩形模型，每個矩形包含4個節(jié)點，纖維受力作用在節(jié)點上，這種模型基于有限單元法，纖維材料簡化為各向同性材料。采用ALE方法進(jìn)行耦合計算，考慮纖維與壁面接觸力學(xué)問題，實現(xiàn)了柔性纖維在噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)高速氣流中的運動與非線性大變形的二維數(shù)值模擬。研究者為將模擬出的纖維運動情況進(jìn)行量化，提取尾端纖維節(jié)點的位移數(shù)據(jù)，繪制隨時間變化的位移曲線。在曲線中有3個關(guān)鍵參數(shù)：曲線上第1個波谷的絕對值；最大的波峰與波谷之間幅度；曲線波動周期。這3個參數(shù)分別反映了形成自由端纖維的數(shù)量、纖維包纏的緊密度以及纖維包纏的數(shù)量，均對成紗強力有重要影響。改變噴嘴結(jié)構(gòu)后位移曲線會改變，以此來對紡紗質(zhì)量進(jìn)行比較。這可直觀地反映纖維在流場中運動規(guī)律，研究方法具有參考價值；但是其采用二維模型，并不能很好地模擬噴嘴內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流場與纖維在三維空間坐標(biāo)下的運動狀態(tài)，因此，這種簡化的模型可能存在誤差。此外，纖維的材料模型也是一種簡化，目前更接近纖維運動規(guī)律的材料模型還有待研究。

如果能綜合考慮纖維與氣流的耦合、纖維與壁面的接觸力，甚至纖維與纖維之間的接觸力，同時建立三維數(shù)值模擬計算模型，觀察纖維的運動規(guī)律，對于實際生產(chǎn)會更具有指導(dǎo)意義。然而，考慮到這種復(fù)雜的三維仿真勢必會給數(shù)值模擬帶來很大的計算量，對計算機(jī)硬件和時間成本有較高的要求，因此應(yīng)抓住問題的主要影響因素做一些必要的簡化。此外，在使用ALE方法時需要對變化后的流場重新劃分網(wǎng)格；而纖維在噴嘴內(nèi)高速氣流的作用下會產(chǎn)生劇烈運動和大變形，增大計算量，也會給網(wǎng)格劃分帶來一定困難[51]，因此更高效地考慮纖維與氣流耦合的數(shù)值模擬方法還有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)束語

噴氣渦流紡作為一種新型紡紗技術(shù)，其市場推廣時間不長，理論研究還不多，有很多有待深入研究和發(fā)展的地方，包括以下3個方面：

1)理論研究趨于基礎(chǔ)性。目前研究方法經(jīng)常拋開纖維在噴嘴中的運動情況，直接討論氣流場，因此，與生產(chǎn)實際相比難免有誤差?？紤]纖維與氣流的耦合、纖維與壁面的接觸力、甚至纖維與纖維之間的接觸力可能會成為未來理論研究趨勢。

2)噴氣渦流紡目前的技術(shù)瓶頸是如何提高適紡性。雖然一些設(shè)備公司宣稱其設(shè)備適紡純棉紗，但對喂入棉紗纖維的長短以及長短的均勻性有一定要求。由于噴氣渦流紡的成紗機(jī)制，導(dǎo)致其不適合紡較短的纖維，因此，尋找一個優(yōu)化目標(biāo)提高其適紡范圍可能會成為研究的方向。

3)研究對象過于單一。目前市場上有日本村田公司和瑞士立達(dá)公司的噴氣紡設(shè)備，二者官方公布的產(chǎn)品性能接近，成紗原理相同，但在噴嘴結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上存在差異。目前缺少對二者性能的比較和結(jié)構(gòu)差異方面的討論，噴嘴結(jié)構(gòu)還有待更多的創(chuàng)新。

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