裴澤光 朱江陽 奚傳智 王泳智

（1.東華大學，上海， 201620；2.上海市現(xiàn)代紡織前沿科學研究基地，上海， 201620）

噴氣渦流紡因其具有成紗速度高（最高可達600 m/min）、占地面積小、產(chǎn)量高等優(yōu)點而備受關注［1］。噴氣渦流紡紗線具有芯鞘型結構，以纖維束頭端為芯部、分離后螺旋包纏在芯部外圍的尾端纖維為鞘部，因此可利用噴氣渦流紡紗技術紡制包芯紗［2］，如以滌綸［3］、錦綸［4］、氨綸［5］長絲或金屬絲［6］等為芯絲、外部包覆各種短纖維的包芯紗已有報道。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過合理設置噴孔數(shù)量、噴孔角度等噴嘴結構參數(shù)可提高噴氣渦流紡的成紗質(zhì)量，但紡紗過程中仍存在落纖現(xiàn)象［7］，其主要是由于纖維在渦流管與錠子頭端之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)受到高速氣流軸向力和離心力作用時克服須條的約束力而從中脫離并從噴嘴中排出，導致纖維原料的損失［8］。在噴氣渦流紡包芯紗的紡制過程中同樣存在落纖，其會導致包芯紗鞘層纖維量的減少，造成芯絲包覆不良［9］。因此，降低噴氣渦流紡包芯紗成紗過程中的落纖量對于提高包芯紗包覆質(zhì)量、降低原料損耗等具有重要的意義。

目前，已有一些研究者針對噴氣渦流紡成紗過程中的落纖問題，提出了一些噴嘴結構的創(chuàng)新設計方案。薛文良等對錠子結構進行了改進，在引紗通道入口處進行了倒角處理，使入口直徑大于下游段直徑，不僅有利于纖維頭端進入引紗通道，同時入口處的斜面增加了纖維與壁面間的摩擦力，有助于纖維尾端在回轉(zhuǎn)過程中抵御高速氣流的作用力，從而降低落纖量［10］。鄒專勇等在錠子下游增設了一對假捻噴孔，其產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)方向與纖維加捻方向相反，在反向力的作用下紗尾將變得更加緊密，增強了紗條尾端對纖維頭端的束縛作用，使得纖維尾端能夠抵御加捻過程中高速氣流的抽拔作用，從而達到降低落纖的目的［11］。韓晨晨等對錠子表面進行刻槽加工，可使尾端自由纖維更加緊密地貼合在錠子的外表面，并產(chǎn)生自捻，試驗結果表明該設計可降低氣流加捻時的纖維損失，同時紗線的斷裂強度也有所提高［12］。王興寶在紡制金屬絲包芯紗的噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)錠子中引紗通道壁面上設置若干排氣流抽吸孔，在錠子內(nèi)部提供負壓抽吸作用，以使紗條與引紗通道壁面間的摩擦力增大，從而提高紗條主體對尾端自由纖維頭端的握持力，使落纖量降低；基于紡紗試驗，研究了抽吸孔結構參數(shù)對落纖量的影響［13］。朱江陽等通過數(shù)值模擬研究了兩個抽吸孔結構參數(shù)（抽吸孔直徑和抽吸區(qū)長度）對上述噴嘴中氣流場的影響，在此基礎上闡釋了這兩個參數(shù)對落纖量和包芯紗斷裂強度的影響機制［14］，但研究并未涵蓋其他抽吸孔結構參數(shù)。本研究利用計算流體動力學方法，對抽吸孔周向列數(shù)與抽吸孔軸向間距對負壓抽吸式噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)氣流流動特性的影響進行數(shù)值模擬研究，并與紡紗試驗結果進行對比分析，為負壓抽吸式噴氣渦流紡噴嘴結構的設計與參數(shù)的優(yōu)選提供可行的方法。

1 噴嘴氣流場數(shù)值計算模型與求解

噴嘴內(nèi)的氣流流動由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程進行描述，并采用理想氣體狀態(tài)方程對控制方程組進行封閉，另選擇Realizablek-ε模型對湍流進行模擬。建立噴嘴流場區(qū)域幾何模型，在噴嘴入口處的纖維導引體中心設有用于引入芯絲的通孔，渦流管壁面上設置4 個切向氣流噴射孔，在氣室進氣孔處氣流總壓設置為0.55 MPa。負壓抽吸錠子頭端位于渦流管內(nèi)部，內(nèi)部空腔的下游連接負壓抽吸氣源，該處氣流總壓設置為11 325 Pa。用于引紗的負壓抽吸管位于錠子內(nèi)部，在其前端壁面上設有與錠子內(nèi)部空腔相連接、方向沿噴嘴徑向的氣流抽吸孔。在本研究中，抽吸孔直徑固定為0.3 mm，抽吸區(qū)長度固定為34 mm，擬研究抽吸孔周向列數(shù)與抽吸孔軸向間距對噴嘴內(nèi)氣流流動特性的影響，數(shù)值計算方案中相應參數(shù)的取值如表1 所示。采用Gambit 軟件對流場計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，結果如圖1 所示。采用ANSYS Fluent 軟件對噴嘴氣流場數(shù)值計算模型進行求解。

圖1 方案3 噴嘴流場計算區(qū)域網(wǎng)格劃分結果

表1 數(shù)值計算方案中的參數(shù)取值

2 結果與討論

2.1 氣流場流動特征分析

圖2 顯示了方案2 中噴嘴不同截面內(nèi)氣流流線與靜壓分布的數(shù)值模擬結果。

圖2 方案2 中噴嘴不同截面內(nèi)氣流流線與靜壓分布的數(shù)值模擬結果

由圖2（a）可以看出，在噴孔出口所在噴嘴橫截面處，從4 個噴孔射入渦流管內(nèi)的高速氣流在其中形成旋轉(zhuǎn)流動。在靠近渦流管壁面區(qū)，氣流的靜壓值較高。在渦流管核心區(qū)，氣流的流線較為稀疏，且呈非軸對稱分布，該區(qū)域中的氣流為從噴嘴入口流入的二次流。在該區(qū)域中，流場的靜壓值低于外界大氣壓強，有助于二次流夾帶從前羅拉輸出的纖維束進入噴嘴。由圖2（b）可以看出，在錠子入口橫截面處，引紗通道內(nèi)氣流靜壓值遠低于外界大氣壓，使氣流向引紗通道內(nèi)部匯聚，在該過程中略微呈現(xiàn)出逆時針回轉(zhuǎn)的趨勢，而在錠子與渦流管壁面之間，氣流呈現(xiàn)規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運動，在靠近渦流管壁面處，氣流靜壓值較高，隨著徑向位置向錠子壁面移動，氣流的靜壓值逐漸降低。由圖2（c）可以看出，在第5 排抽吸孔所在橫截面處，引紗通道內(nèi)形成了明顯的逆時針方向旋轉(zhuǎn)流動，且引紗通道內(nèi)氣流靜壓值高于錠子中空腔內(nèi)的氣流靜壓值，使氣流在負壓抽吸作用的驅(qū)動下沿抽吸孔從引紗通道流入空腔中，隨后在抽吸孔出口兩側形成流向相反、近似對稱的渦。由圖2（d）可以看出，在第10 排抽吸孔所在橫截面處，空腔內(nèi)部幾乎完全被形成的6 個渦所占據(jù)，而引紗通道內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)運動已變得不明顯。錠子內(nèi)的上述氣流分布特征可為引紗通道內(nèi)的紗條提供吸附力。

2.2 抽吸孔周向列數(shù)對噴嘴氣流場的影響

圖3 顯示了方案1~方案3 和方案5 噴嘴中X=0 mm 截面內(nèi)不同橫截面處氣流各速度分量隨噴嘴徑向位置的分布規(guī)律。當切向速度沿Z軸正方向看為逆時針方向時為正值，徑向速度正值表示其由噴嘴軸線沿半徑方向指向外側，軸向速度正值表示其沿Z軸正方向。由圖3（a）可以看出，在噴孔出口所在橫截面內(nèi)，當設有抽吸孔時，氣流徑向速度和軸向速度相對于傳統(tǒng)無抽吸孔噴嘴呈現(xiàn)出更好的對稱性，表明引紗通道內(nèi)抽吸氣流的存在將會降低傳統(tǒng)噴嘴中沿引紗通道進入渦流管的回流與從噴嘴入口流入渦流管的二次流對渦流管核心區(qū)域內(nèi)氣流規(guī)則流動的影響。由圖3（b）可以看出，在錠子入口端面所在橫截面處，設有抽吸孔的引紗通道中氣流徑向速度與軸向速度的方向與傳統(tǒng)無抽吸孔噴嘴有顯著的區(qū)別。對于設有抽吸孔的噴嘴，引紗通道入口處氣流徑向速度為負值，表明氣流從周圍向中心匯聚，有利于對紗條進行集聚，而氣流軸向速度為正值，表明氣流對纖維向引紗通道內(nèi)的輸送具有促進作用。這些均有利于提高紗條中纖維對氣流抽拔作用的抵御能力，從而有助于落纖量的降低。而對于傳統(tǒng)噴嘴，引紗通道入口截面處氣流徑向速度為正值，而氣流軸向速度為負值?？梢钥闯觯槲字芟蛄袛?shù)為3 列和4 列時，引紗通道入口截面內(nèi)氣流的徑向速度和軸向速度的大小略高于抽吸孔周向列數(shù)為2 列的噴嘴，表明方案2 和方案3 相比方案1 更有利于落纖量的降低，而方案2 和方案3差別不大。這與文獻［15］中關于抽吸孔周向列數(shù)對噴氣渦流紡包芯紗落纖量影響的試驗結果較為一致。

圖3 抽吸孔周向列數(shù)對不同噴嘴橫截面內(nèi)氣流各速度分量隨徑向位置分布的影響

圖4 為方案1~方案3和方案5噴嘴中X=0 mm截面內(nèi)錠子入口下游不同截面處氣流各速度分量隨徑向位置的分布規(guī)律?？梢钥闯?，在第1 排和第5 排抽吸孔軸線所在橫截面位置處，錠子內(nèi)部氣流切向速度呈現(xiàn)較為明顯的非對稱分布，且隨著抽吸孔周向列數(shù)從2 列增加為4 列，切向速度隨之增大，這有助于纖維在紗條上進行包纏，從而對減少落纖起到一定的積極作用。而氣流徑向速度隨著抽吸孔周向列數(shù)的增加而單調(diào)降低，這表明較大的抽吸孔周向列數(shù)并不利于抽吸孔為紗體提供更為有效的抽吸效果，從而不利于紗條緊密度的提升，導致成紗斷裂強度的降低。同時可以看出，當抽吸孔周向列數(shù)為偶數(shù)時，氣流徑向速度表現(xiàn)出較好的對稱性。氣流軸向速度隨抽吸孔周向列數(shù)的變化趨勢與切向速度較為類似。而未設置抽吸孔時氣流各速度分量與設置抽吸孔的工況相比均較低。在第10 排抽吸孔軸線所在橫截面處，抽吸孔周向列數(shù)為2 列和3 列時，抽吸孔內(nèi)氣流的徑向速度值較為相近，均高于抽吸孔周向列數(shù)為4 的工況。而在第15 排抽吸孔軸線所在橫截面處，抽吸孔周向列數(shù)為3 列和4 列的工況中抽吸孔內(nèi)氣流徑向速度的數(shù)值較為接近，且均略低于抽吸孔周向列數(shù)為2 時抽吸孔內(nèi)氣流的徑向速度。

圖4 不同抽吸孔周向列數(shù)下不同噴嘴橫截面內(nèi)氣流各速度分量隨徑向位置的分布

由以上分析可以看出，當抽吸孔的位置越靠近下游時，氣流徑向速度值大小隨抽吸孔周向列數(shù)的影響越不明顯。由于靠近錠子入口的引紗通道區(qū)域是纖維須條成紗的主要位置，因此該區(qū)域中氣流的流動狀態(tài)對成紗斷裂強度的影響將更為顯著。文獻［15］曾報道了抽吸孔周向列數(shù)對噴氣渦流紡包芯紗斷裂強度影響的試驗結果，發(fā)現(xiàn)抽吸孔周向列數(shù)為2 列時，紗線的斷裂強度顯著高于3 列和4 列的工況，而未設置抽吸孔時成紗斷裂強度顯著低于設置抽吸孔的工況。結合數(shù)值模擬與試驗結果可知，成紗斷裂強度的大小與靠近錠子入口的抽吸孔中氣流的徑向速度大小關系密切，當該處氣流徑向速度越大時，成紗斷裂強度越高。

2.3 抽吸孔軸向間距對噴嘴氣流場的影響

圖5 展示了不同抽吸孔軸向間距（方案2、方案4 和方案5）對噴孔出口及錠子入口端面所在橫截面內(nèi)氣流各速度分量隨噴嘴徑向位置分布的影響規(guī)律。由圖5（a）可以看出，在噴孔出口所在橫截面，抽吸孔軸向間距為1 mm 和2 mm 時氣流切向速度的分布規(guī)律沒有顯著區(qū)別，均高于未設置抽吸孔的噴嘴，這表明抽吸孔的存在對渦流腔內(nèi)氣流切向速度的分布也會產(chǎn)生影響，有助于提高氣流對纖維的加捻包纏效果。如圖5（b）所示，在錠子入口端面所在橫截面，對于設有抽吸孔的噴嘴，引紗通道入口位置處氣流徑向速度為負值，軸向速度為正值，與未設有抽吸孔的噴嘴的速度方向相反，表明氣流一邊從外圍向引紗通道入口中心處匯聚，一邊從渦流腔向引紗通道內(nèi)部流動，不僅有助于提升纖維向紗條中的集束作用，同時有助于纖維隨紗條向引紗通道下游的輸送，繼而可降低纖維受氣流離心力的作用而脫離紗體從渦流管與錠子間環(huán)形氣隙中排出的幾率，從而降低落纖量。同時可以看出，抽吸孔軸向間距為1 mm時，引紗通道入口平面處的氣流軸向速度較抽吸孔軸向間距為2 mm 時更高，且氣流徑向速度略有提高，結合2.2 節(jié)關于氣流特性對落纖量影響的結果推斷，抽吸孔軸向間距為1 mm 時落纖量低于抽吸孔軸向間距為2 mm 的設計，兩種設計下落纖量均較未設置抽吸孔的設計低。這與文獻［15］所報道的紡紗試驗結果相吻合。

圖5 抽吸孔軸向間距對不同噴嘴橫截面內(nèi)氣流各速度分量隨徑向位置分布的影響

圖6 展示了不同抽吸孔軸向間距下錠子入口下游各主要截面處氣流各速度分量隨徑向位置的分布規(guī)律。由圖6（a）和圖6（b）可以看出，在第1排和第5 排抽吸孔軸線所在截面處，當抽吸孔軸向間距為2 mm 時，抽吸孔中氣流的徑向速度顯著高于抽吸孔軸向間距為1 mm 時，這可能是由于在抽吸區(qū)長度和負壓相同的情況下，抽吸孔軸向間距越大，抽吸孔數(shù)量越少，抽吸孔總面積越小，抽吸孔中氣流的速度越大。

圖6 不同抽吸孔軸向間距下不同噴嘴橫截面內(nèi)氣流各速度分量隨徑向位置的分布

由圖6（c）和圖6（d）可知，隨著抽吸孔的位置靠近下游，在第10 排和第15 排抽吸孔軸線所在截面處，抽吸孔軸向間距為2 mm 時抽吸孔中氣流徑向速度值雖仍大于抽吸孔軸向間距為1 mm 的情況，但兩者的差異已明顯降低。當抽吸孔中氣流徑向速度越高時，引紗通道中紗條受到的吸附力越大，可使紗條更易貼伏在引紗通道壁面上進行運動，增大了紗條中纖維間的壓力和抱合力，使成紗結構更加緊密，從而使成紗的斷裂強度提高。文獻［15］報道了抽吸孔軸向間距對噴氣渦流紡金屬絲包芯紗斷裂強度影響的試驗結果，發(fā)現(xiàn)設有抽吸孔的噴嘴所紡制的包芯紗的斷裂強度均高于未設置抽吸孔的噴嘴紡制的紗線，且當抽吸孔軸向間距從1 mm 增加至2 mm 時，紗線的斷裂強度顯著增加。由此可知，抽吸孔軸向間距對成紗斷裂強度的影響規(guī)律也可以利用氣流場的流動特性進行解釋，即靠近錠子入口區(qū)域（第1 排和第5 排抽吸孔軸線所在截面）的抽吸孔中氣流徑向速度值越大，成紗斷裂強度越高。

3 結論

本研究利用計算流體動力學方法，對抽吸孔周向列數(shù)與抽吸孔軸向間距對負壓抽吸式噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)氣流流動特性的影響進行了數(shù)值模擬研究，并與紡紗試驗結果進行了對比分析，得到以下結論。

（1）成紗過程中落纖量的大小受錠子內(nèi)部引紗通道入口端面處氣流軸向速度和徑向速度的方向和大小影響顯著，落纖量隨氣流軸向和徑向速度值的增大而降低。抽吸孔周向列數(shù)為3 列和4列相較于抽吸孔周向列數(shù)為2 列時，更有利于落纖量的降低，但當抽吸孔周向列數(shù)由3 列增加為4列時落纖量的變化并不明顯；抽吸孔軸向間距為1 mm 時落纖量較抽吸孔軸向間距為2 mm 低。

（2）成紗斷裂強度受錠子入口附近抽吸孔中氣流徑向速度大小的影響較大，成紗斷裂強度隨徑向速度的增大而提高。抽吸孔周向列數(shù)為2 列時，紗線的斷裂強度顯著高于3 列和4 列的工況；當抽吸孔軸向間距從1 mm 增加至2 mm 時，紗線的斷裂強度顯著增加。

（3）抽吸孔排列參數(shù)對包芯紗成紗過程落纖量與成紗斷裂強度影響的數(shù)值模擬結果與紡紗試驗結果較為一致，為揭示參數(shù)對噴氣渦流紡成紗過程與質(zhì)量的影響機制提供了可行的方法。