摘 要：為研究轉杯紡紡紗器（輸纖通道、滑移面和凝聚槽）中纖維彎曲形態(tài)的變化規(guī)律，借助數(shù)值模擬軟件Rocky DEM 2022R1和ANSYS Fluent 2022R1，基于Fluent仿真得到的氣流場數(shù)據(jù)，分別模擬了工況1（朝上后彎鉤）和工況2（朝上前彎鉤）彎鉤纖維在紡紗器內的形態(tài)變化過程，對氣流特征、纖維彎鉤的伸直、彎鉤的形成和凝聚槽內纖維伸直度進行分析。結果表明：輸纖通道內氣流速度梯度隨氣流流向遞增，凝聚槽內氣流速度分布不均勻，存在低速和高速氣流區(qū)；兩種工況的彎鉤纖維的形態(tài)變化規(guī)律基本一致，但在輸纖通道出口至滑移面處，彎鉤纖維呈現(xiàn)出不同形態(tài)；前彎鉤纖維在完全進入凝聚槽時，彎鉤部分會被伸直消除，而后彎鉤纖維進入凝聚槽后，其彎鉤部分難以完全被伸直；在凝聚槽內，前彎鉤纖維的伸直度顯著高于后彎鉤。該研究通過數(shù)值模擬分析探索纖維形態(tài)的變化規(guī)律，可為生產(chǎn)優(yōu)化和設計解決方法提供理論指導，對轉杯紡輸纖通道、轉杯等關鍵部件的設計具有參考意義。

關鍵詞：轉杯紡；彎鉤纖維；纖維伸直度；纖維形態(tài)變化；數(shù)值模擬

中圖分類號：TS111

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）03-0021-08

收稿日期：20230922

網(wǎng)絡出版日期：20231025

基金項目：國家自然科學基金項目（52273034）

作者簡介：龔新霞（1999—），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事新型紡紗方面的研究。

通信作者：楊瑞華，E-mail：yangrh@jiangnan.edu.cn

轉杯紡是一種應用廣泛的新型紡紗方式，具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。在轉杯紡紗工藝中，纖維須條直接喂給分梳裝置，經(jīng)松解后轉為單纖維狀態(tài)；纖維通過負壓氣流轉移至轉杯內凝聚并加捻成紗。為探究轉杯紡成紗的原理，許多學者通過數(shù)值模擬方法對轉杯紡紗器內氣流場的速度、壓力進行研究，通過建立離散化纖維模型，并與流體模型耦合求解，分析纖維在轉杯紡紗器內的運動行為［1-4］。楊瑞華等［5］以剛性球鏈桿為纖維模型，F(xiàn)luent-EDEM耦合連接模擬纖維在輸纖通道氣流場中運動，揭示了輸纖通道內1 mm纖維和16 mm的運動分布規(guī)律。熊海浪［6］以球鏈為模型，建立長徑比為32的纖維模型，分析了轉杯轉速和負壓對單根伸直纖維在轉杯內運動的影響。林惠婷等［7］以球-桿鏈為纖維模型，模擬了單根伸直纖維在輸纖通道的運動，同時研究了不同彎鉤度的前彎鉤纖維在輸纖通道內的形態(tài)演變過程?，F(xiàn)有的纖維運動模擬多假定纖維為伸直狀態(tài)，對纖維的直徑、長徑比等參數(shù)進行簡化，以降低模型復雜性，減少計算量，提高計算效率［8-9］。但是在實際紡紗過程中，喂入的纖維除了包含伸直纖維外，還含有一定比例的前彎鉤和后彎鉤纖維，這些后彎鉤纖維的存在會使紗線條干惡化，造成粗細節(jié)增多等質量問題［10-12］。因此，若能構建出與纖維長徑比、直徑相符的彎鉤纖維模型，并對其進行數(shù)值模擬，獲得彎鉤纖維在紡紗器內的運動和形變規(guī)律，可揭示彎鉤纖維對轉杯紡成紗性能的影響，從而為進一步完善轉杯紡成紗機理及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

本文采用SolidWorks 2021建立轉杯紡紗器幾何模型，利用ICEM CFD 2022R1劃分網(wǎng)格并導入ANSYS Fluent 2022R1計算獲取紡紗器內的氣流場特征。通過離散元軟件Rocky DEM 2022R1建立朝上前彎鉤、朝上后彎鉤兩種形態(tài)的彎鉤纖維模型，并賦予棉纖維長徑比和直徑等參數(shù)?；贔luent計算所得的氣流數(shù)據(jù)在Rocky DEM 2022R1模擬纖維在紡紗器內的運動行為，獲得彎鉤纖維在輸纖通道、滑移面和凝聚槽的形態(tài)變化過程，彎鉤的伸直與形成過程，以及纖維在凝聚槽內的伸直度變化趨勢，探究彎鉤類型對彎鉤纖維形態(tài)變化的影響，為完善轉杯紡成紗機理、升級轉杯結構和優(yōu)化工藝參數(shù)提供參考。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 轉杯紡紗器幾何模型及流體控制方程

本文模擬的轉杯紡關鍵紡紗部件采用Solid Works 2021軟件建立三維幾何模型，如圖1所示。轉杯紡紡紗器包括輸纖通道、轉杯和引紗管。輸纖通道中軸線長L為65 mm，其與水平面的夾角為67°，轉杯為T型凝聚槽，直徑D為34 mm。

轉杯紡紗器內的氣流為不可壓縮的黏性流體，不考慮熱交換作用，即無能量耗散。將氣流場看作連續(xù)介質，采用歐拉法來描述氣流流動，控制流體運動的方程如式（1）—（3）。

連續(xù)性方程［13］：

式中：xi、xj、xk分別為沿i、j、k的方向；uk為氣流速度在xk方向的分量；ui為氣流在xi方向的速度矢量；uj為氣流在xj方向的速度矢量；ρ為氣流密度，μk為沿xk方向的湍流黏性系數(shù)；P為壓強；Re為雷諾數(shù)；τij為雷諾應力，δij為Komecker delta函數(shù)。

1.2 氣流場模型和邊界條件

采用ICEM CFD 2022R1對轉杯紡紗器及內部流體域進行網(wǎng)格劃分，總計生成994 135個四面體非結構化網(wǎng)格。借助ANSYS FLUNET 2022R1模擬轉杯紡紗器內的氣流場，氣流場模擬模型參數(shù)如表1所示。

1.3 纖維理論和模擬模型

1.3.1 纖維理論模型

在Rocky DEM 2022R1中選擇桿鏈纖維模型，桿鏈纖維模型由一定數(shù)量的球形圓柱形桿組成，相鄰的桿元件通過一個具有彈性和黏彈性的關節(jié)連接［14］，柔性直纖維示意圖如圖2所示。

纖維離散化看作離散項，采用拉格朗日法對每個離散的質點追蹤來描述纖維流動，從而跟蹤計算域中的所有纖維［15］，纖維運動的控制方程如式（4）—（5）：

式中：mp是纖維質量，vp是纖維速度，F(xiàn)c是纖維與紡紗器壁面相互作用的接觸力，F(xiàn)f→p是纖維與流體相互作用的附加力，F(xiàn)t是浮力，g是重力加速度矢量，Ip是轉動慣量張量，ωp是角速度矢量，Mc是引起纖維旋轉的切向力產(chǎn)生的凈轉矩，Mf→p是由于流體相速度梯度引起的附加轉矩。

流體作用力Ff→p的兩個主要部分：壓力梯度力FSymbolQC@p和阻力Fdrag，如式（6）。

壓力梯度力是氣流壓力梯度對纖維產(chǎn)生的作用力，阻力主要取決于纖維和氣流的速度差。纖維所處的壓力梯度越大，纖維與氣流的速度差越大，纖維受到的流體作用力越大。

接觸力Fc主要有兩部分：法向接觸力Ftn和切向接觸力Ftτ。法向接觸力采用的滯后線性彈簧模型，切向接觸力采用的線性彈簧庫侖極限模型。

法向接觸力如式（7）—（8）：

式中：Ftn和Ft-Δtn分別為當前時間t和前一時間t-Δt的法向接觸力；t為時間步長；Δsn為當前時間內觸點法線重疊的變化；stn和st-Δtn分別為本次和上一次的正常重疊值；Knl和Knu分別為加載和卸載接觸剛度值；λ為一個無量綱的小常量。

切向接觸力如式（9）：

式中：Ftτ是時間t的切向接觸力；μ是摩擦因數(shù)，F(xiàn)tτ，e是時間t的純彈性切向接觸力，μ摩擦因數(shù)如式（10）：

μ=μs，接觸點無滑移μd，接觸點發(fā)生滑移（10）

式中：μs和μd分別是靜摩擦因數(shù)和動態(tài)摩擦因數(shù)。Ftτ，e純彈性切向接觸力如式（11）：

式中：Ft-Δtτ是前一時間t-Δt的切向接觸力；Δsτ是指時間步長期間粒子的切向相對位移；Kτ切向剛度如式（12）：

式中：Knl為載荷法向剛度；rK為切線剛度比。

1.3.2 纖維模擬模型

表2為纖維屬性和接觸參數(shù)，圖3為彎鉤纖維示意圖，圖4為工況1—2彎鉤纖維模型圖。如圖3所示，彎鉤纖維被分為3段：主體段、彎折段和彎鉤段，其中將彎折段和彎鉤段統(tǒng)稱為彎鉤部分。如表2所示，建立了30%彎鉤度的彎鉤纖維，設置工況1—2研究彎鉤類型對纖維形態(tài)變化的影響，如圖4所示。

2 紡紗器內氣流場流動特征

圖5所示為紡紗器氣流場速度云圖和速度矢量圖。由圖5（a）可知，輸纖通道中的氣流速度主要分布在14.3～143.0 ms，沿著氣流流向速度梯度逐漸增加。值得注意的是，輸纖通道中心的氣流速度明顯高于壁面氣流速度，并且在靠近壁面的區(qū)域出現(xiàn)了顯著的速度梯度下降現(xiàn)象。由圖5（b）可知，轉杯凝聚槽截面的速度呈帶狀分

布，凝聚槽內的速度為50.9～127.0 ms，輸纖通道出口附近出現(xiàn)一段高速氣流區(qū)，氣流沿轉杯轉向流動110°左右出現(xiàn)一小段明顯的低速段，凝聚槽此處氣流速度低于前后處氣流速度，為凝聚槽內的一個小變速氣流區(qū)。由圖5（c）可知，輸纖通道流出的高速氣流撞擊在滑移面上，氣流在負壓和高速旋轉杯壁的作用下，主要沿著轉杯轉向向凝聚槽匯聚；此外，輸纖通道出口處滑移面上的氣流呈下斜坡式分布。

3 彎鉤纖維在紡紗器內的形態(tài)變化過程與分析

3.1 工況1彎鉤纖維的形態(tài)變化過程

圖6為朝上后彎鉤纖維經(jīng)輸纖通道由滑移面進入轉杯凝聚槽內的運動軌跡和形態(tài)。彎鉤段接觸輸纖通道上壁面，主體段頭端接觸滑移面，逐漸駛離輸纖通道進入凝聚槽，此階段彎鉤纖維發(fā)生較大的形變。在凝聚槽內彎鉤纖維的彎折段由伸直的一字型轉為段中凹陷的V字型，進而彎鉤部分與主體段相互垂直呈倒L型，直至彎鉤段完全層疊在一起匯入凝聚槽內，在離心力的作用下向逐漸向凝聚槽壁面緊貼，彎鉤部分緊密交疊在一起，隨著進一步運動，纖維形態(tài)不再發(fā)生變化，與凝聚槽保持相對靜止。

3.2 工況2彎鉤纖維的形態(tài)變化過程

圖7為朝上前彎鉤纖維在輸纖通道、滑移面和轉杯凝聚槽內的運動軌跡和形態(tài)。在輸纖通道，彎折段有向主體段取向的趨勢，彎鉤段與主體段直接的間距在逐漸減小，由彎折段先接觸滑移面并逐漸駛離輸纖通道經(jīng)滑移面進入凝聚槽，受高速負壓氣流作用，前彎鉤被伸直。

3.3 彎鉤纖維在凝聚槽的伸直度分析

纖維完全進入凝聚槽后，由波浪狀的彎曲形態(tài)轉變?yōu)榫o貼凝聚槽壁面的伸直狀態(tài)。為描述纖維進入凝聚槽后的伸直運動，將凝聚槽內纖維的伸直度定義為：俯視視角下纖維頭端到尾端經(jīng)過

的圓心角與纖維完全貼合凝聚槽內壁面時頭端到尾端經(jīng)過圓心角的百分比，纖維伸直度測試示意圖如圖8所示，纖維伸直度計算公式如式（13）－（14）所示。纖維的伸直度低，表明纖維在凝聚槽內的彎折程度高，纖維的伸直度高，表明纖維越貼合凝聚槽壁面。

式中：α為纖維完全伸直時的圓心角；Li為i時刻纖維的伸直度；θi為i時刻纖維頭端到尾端經(jīng)過的圓心角。

圖9為工況1—2纖維凝聚槽內纖維伸直度變化折線圖。t=0.00 ms定義為纖維完全進入凝聚槽時的伸直度，如圖9所示，纖維在凝聚槽內的伸直度與彎鉤類型有關。前彎鉤纖維進入輸纖通道，纖維在凝聚槽內的伸直度為87.02%～97.81%，后彎鉤進入輸纖通道，纖維在凝聚槽的伸直度為5768%～81.05%，前彎鉤纖維的在凝聚槽的伸直度顯著高于后彎鉤。前彎鉤纖維的彎鉤部分先抵達轉杯內的高速氣流區(qū)域，彎鉤部分與主體段產(chǎn)生速度差，彎鉤部分以更快的速度向前運動因此伸直；要使后彎鉤纖維的彎鉤部分伸直，需要對彎鉤部分施加一個向后的作用力，而紡紗器內的氣流始終在對后彎鉤部分施加向前的作用力，與彎鉤伸直的條件相反，特別是后彎鉤部分進入高速氣流區(qū)域后，受到一個較大的前推作用力，彎鉤部分與主體段產(chǎn)生多重交疊，致使后彎鉤形態(tài)進入的纖維在凝聚槽的伸直度低。

4 結 論

本文采用數(shù)值模擬軟件Rocky DEM 2022R1和ANSYS Fluent 2022R1，模擬了前彎鉤和后彎鉤纖維在轉杯紡紡紗器（輸纖通道、滑移面和凝聚槽）內的形態(tài)變化過程，對紡紗器內氣流場、纖維彎鉤的伸直、彎鉤的形成和凝聚槽內纖維伸直度進行分析，主要得出以下結論：

a）輸纖通道內沿著氣流流向速度梯度逐漸增加，輸纖通道壁面附近速度顯著下降；轉杯凝聚槽截面的速度呈帶狀分布，輸纖通道出口附近為高速氣流區(qū)，沿轉杯轉向110°左右處氣流速度低于前后處氣流速度，為凝聚槽內的一個小變速氣流區(qū)。

b）工況1和工況2彎鉤纖維在輸纖通道內的形變規(guī)律基本一致，彎折段有向主體段移動的小趨勢；在輸纖通道出口至滑移面，不同的彎鉤纖維形態(tài)分化出不同的變化過程；在凝聚槽內的形態(tài)變化規(guī)律也大致相同，纖維由波動的彎曲轉變至緊貼凝聚槽內部的狀態(tài)。

c）前彎鉤纖維在凝聚槽的伸直度顯著高于后彎鉤。前彎鉤纖維在完全進入凝聚槽時，彎鉤部分已被伸直消除；輸纖通道內未被伸直的后彎鉤纖維進入凝聚槽后，彎鉤部分難以完全被伸直。

參考文獻：

［1］"邱海飛.自排風式轉杯紡紗通道內部氣流場數(shù)值模擬［J］.現(xiàn)代紡織技術，2022，30（3）：108-116.

QIU Haifei. Numerical simulation of airflow field in spinning channel on automatic air-exhauster rotor［J］. Advanced Textile Technology， 2022， 30（3）： 108-116.

［2］"李相東，金玉珍，崔靖渝，等.轉杯紡轉杯內氣流場特性的研究［J］.浙江理工大學學報（自然科學版），2016，35（2）：211-217.

LI Xiangdong， JIN Yuzhen， CUI Jingyu， et al. Research on the characteristics of lnternal airflow field in spinning cup of rotor spinning machine［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University （Natural Sciences）， 2016， 35（2）： 211-217.

［3］"鄧茜茜，楊瑞華.輸棉通道位置對轉杯紡纖維運動的影響［J］.絲綢，2020，57（8）：42-49.

DENG Qianqian， Yang Ruihua. Effect of fiber transport channel position on fiber motion in rotor spinning［J］. Journal of Silk， 2020， 57（8）： 42-49.

［4］"祝鑫，呂汪洋，王剛強.靜態(tài)混合器內分散相混合性能數(shù)值模擬［J］.現(xiàn)代紡織技術，2023，31（2）：63-71.

ZHU Xin， L"Wangyang， WANG Gangqiang. Numerical simulation of mixing performance of dispersed phase in a static mixer［J］. Advanced Textile Technology， 2023， 31（2）： 63-71.

［5］"楊瑞華，何闖.纖維在轉杯和輸纖通道中的運動模擬［J］.絲綢，2022，59（7）：40-48.

YANG Ruihua， HE Chuang. Simulation of fiber movement in the rotor and fiber transport channel［J］. Journal of Silk， 2022， 59（7）： 40-48.

［6］"熊海浪.纖維在旋轉氣流場中的耦合運動機理研究［D］.杭州：浙江理工大學，2022：33-40.

XIONG Hailang. Study on the Mechanism of Coupled Motion of Fibers in A Rotating Airflow Field［D］. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2022： 33-40.

［7］"林惠婷，汪軍.纖維在輸纖通道氣流場中運動的模擬［J］.紡織學報，2018，39（2）：55-61.

LIN Huiting， WANG Jun. Simulation on fiber motion in airflow field of transfer channel［J］. Journal of Textile Research， 2018， 39（2）： 55-61.

［8］"龔新霞，邵秋，劉林兵，等.轉杯紡發(fā)展現(xiàn)狀及成紗關鍵技術研究［J］.棉紡織技術，2023，51（5）：79-84.

GONG Xinxia， SHAO Qiu， LIU Linbing， et al. Rotor spinning development status and yarn-forming key tech-nology［J］. Cotton Textile Technology， 2023， 51（5）： 79-84.

［9］"YANG R， HE C， PAN B， et al. Effect of position of the fiber transport channel on fiber motion in the high-speed rotor［J］. Textile Research Journal， 2021， 91（19-20）： 2294-2302.

［10］"陳玉峰.棉紡牽伸的研究與探討［J］.紡織器材，2011，38（5）：44-50.

CHEN Yufeng. Research and discussion on cotton spinning drafting［J］. Textile Accessories， 2011， 38（5）： 44-50.

［11］"費青，姚書琴.纖維伸直度和彎鉤方向性對氣流紗質量的影響［J］.紡織學報，1979（1）：22-29.

FEI Qing， YAO Shuqin. The influence of fiber straightness and hook direction on the quality of airflow yarn［J］. Journal of Textile Research， 1979（1）：22-29.

［12］"楊瑞華，邵秋，張欣，等.廢舊滌棉紡織品的回收循環(huán)再利用技術［J］.服裝學報，2022，7（4）：283-290.

YANG Ruihua， SHAO Qiu， ZHANG Xin， et al. Recycling and reuse technology of waste polyester and cotton textiles［J］. Journal of Clothing Research， 2022， 7（4）：283-290.

［13］"楊瑞華，何闖，龔新霞，等.轉杯紡分梳排雜區(qū)的氣流場數(shù)值模擬［J］.紡織學報，2022，43（10）：31-37.

YANG Ruihua， HE Chuang， GONG Xinxia， et al. Numerical simulation of airflow field in carding and trash removal zone of rotor spinning［J］. Journal of Textile Research， 2022， 43（10）： 31-37.

［14］"SCHMID C F， SWITZER L H， KLINGENBERG D J. Simulations of fiber flocculation： Effects of fiber properties and interfiber friction［J］. Journal of Rheology， 2000， 44（4）： 781-809.

［15］"KARIMI H， MOLAEI DEHKORDI A. Prediction of equilibrium mixing state in binary particle spouted beds： Effects of solids density and diameter differences， gas velocity， and bed aspect ratio［J］. Advanced Powder Technology， 2015， 26（5）： 1371-1382.

Abstract：

Rotor spinning is a widely used new spinning method with the advantages of short process flow and high production efficiency. The fiber strands are directly fed into the carding device and released into a single fiber state， and are transferred to the rotor through negative pressure airflow for condensation and twisting into yarn. The fibers fed into the rotor spinning machine contain various forms of fibers， and are mainly divided into the three categories of straight fibers， front hook fibers， and rear hook fibers. In actual production， it is necessary to avoid the entry of rear hook fibers. If there are many rear hook fibers， the spun rotor yarn may have uneven evenness and easily produce coarse and fine knots. This is the experience summarized in the production process. Therefore， exploring the morphological changes of hook fibers in the rotor spinning machine， as well as the straightening and formation process of hooks， provides reference for improving the spinning mechanism of rotor spinning， and optimizing the rotor structure and process parameters.

We aimed to solve the fiber motion trajectory using the Lagrangian-Euler method， with the airflow as a continuous phase and the fibers as discrete phases. Firstly， we used the 3D modeling software SolidWorks 2021 to establish a model of the rotor spinning machine. Then， we coupled and connected Rocky DEM 2022R1 and ANSYS Fluent 2022R1. As for the airflow field， we selected the Standard k-epsilon turbulence model， Standard Wall Function （SWF）， and SIMPLE algorithm. The fiber model is of a rod chain structure， and is made of cotton fibers with a length of 28 mm. The fiber model established in this article has the size and properties of real cotton fibers， and has been optimized on the fiber model. At the same time， the changes in fiber morphology under different initial forms were considered. The deformation pattern of the hook fibers in the fiber transmission channel under conditions 1-2 is basically consistent， with a small trend of movement towards the main section in the bent section; from the exit of the fiber transport channel to the slip surface， different hooked fibers undergo different morphological differentiation processes; the pattern of morphological changes in the coagulation tank is also roughly the same， with the fibers transitioning from wavy bending to a state close to the inside of the coagulation tank. When the front hook fiber completely enters the condensation groove， the hook part has been straightened and eliminated; after the non-straightened rear hook fibers in the fiber transmission channel enter the condensation tank， it is difficult to fully straighten the hook part. The straightness of the front hook fibers in the condensation groove is significantly higher than that of the rear hook fibers. Therefore， feeding fibers into the rotor spinning machine in the form of hooks can optimize the yarn structure.

To sum up， numerical simulation is a very good research method. Firstly， computer simulation of the flow field and fiber movement process inside the rotor spinning machine can provide theoretical guidance for production optimization and design solutions， reduce experimental trial and error costs， and improve efficiency. Secondly， by conducting in-depth research on the airflow field and fiber movement process inside the spinner， the mechanism of rotor spinning yarn formation is gradually improved， providing a theoretical basis for the key components such as the fiber conveying channel and rotor in rotor spinning.

Keywords：

rotor spinning; hook fibers; fiber straightness; changes in fiber morphology; numerical simulation