基于高速转杯气流特征的柔性纤维运动与滑移力学模型

In textile machinery, it is a normal method that driving the flexible fiber by airflow. The rotor spinning is a typical technology among them. This technology controls the processes of fiber transportation, collecting and twisting by the negative pressure inside the rotor. However, due to the complexity of the fiber/airflow coupling, lack of theoretical basis is observed on the design of the rotor spinning unit and the optimization of the spinning parameters. Usually they are conducted based on experiments, which are time-consuming and tedious. This project is to study the flexible fiber motion in the complex airflow field in the rotor spinning channel by theoretical modeling, thus to optimize the rotor spinning unit design and the spinning parameters. Firstly, on the basis of the airflow characteristics of the rotor spinning channel, coupled with the consideration of the effect of the turbulence and solid wall on the fiber, the “fiber/airflow-fiber/wall” coupling model is developed and calculations are conducted. Secondly, high-speed photography is adopted to capture the fiber path during the spinning process. The structure and properties of the rotor spun yarn are measured. The experimental results are compared with the simulation ones. Systematic study on the spinning mechanism and the influence of various parameters on fiber motion and yarn properties is conducted to investigate the design principle of the rotor spinning unit. The numerical model and algorithm proposed in this project can provide a theoretical guidance for rotor spinning unit design and the spinning parameters optimization.

动气流对纤维进行驱动是纺织机械中常见的执行手段。转杯纺纱是其中的典型代表，该技术通过转杯内负压气流控制，实现纤维输送、凝聚和加捻。但由于纤维与气流相互作用的复杂性，目前转杯纺纱器的结构和有关工艺参数的设计缺乏理论依据，主要依靠大量的实验探索，耗时又费力。本项目拟通过理论建模研究转杯纺纱通道内复杂气流场中柔性纤维的运动行为，并据此优化纺纱器关键结构和工艺参数设计。先从转杯纺纱通道内的气流流动特性出发，考虑湍流和壁面对纤维的作用，构建“纤维/气流-纤维/壁面”耦合模型并进行数值模拟；再通过高速摄像仪记录并分析纤维运动轨迹以及实验测试成纱结构与性能，与模拟结果对比分析，系统地研究纤维的成纱机理以及各种参数对纤维运动和成纱性能的影响，验证并优化纤维耦合动力学模型；在此基础上，研究转杯纺纱器关键部件的设计原理。本项目建立的模型和计算方法可为纺纱器结构和相关纺纱工艺的优化提供理论指导。

动气流对纤维进行驱动是纺织机械中常见的执行手段。转杯纺纱是其中的典型代表，该技术通过负压气流控制纤维输送、凝聚和加捻。由于转杯纺纱器的结构复杂，在其内部通道形成复杂的气流场，具有极高长径比和一定柔性的纤维在气流场的作用下完成纤维转移和凝聚，纤维与气流、纤维之间甚至纤维与壁面存在复杂的耦合作用，成纱结构和成纱性能不仅与纤维在气流中的运动形态关系密切，更取决于纤维在高速旋转转杯内复杂气流场中的运动规律。本项目建立了单通道和新型双通道转杯纺纱器气流场的理论计算模型，对单、双通道转杯纺纱器的气流流动特征进行了数值模拟，分析了转杯的旋转机制和抽气机制对气流流动特性的影响，旋转机制使大部分气流沿着转杯旋转的方向流动，有利于纤维向转杯滑移面的顺利转移和纤维的有序排列，以及其向凝聚槽的凝聚，抽气机制保证了转杯内的气流负压，使得输纤通道内气流能够加速流入转杯，实现纤维平行伸直；建立了柔弹性纤维模型，通过分析单纤维在纺纱通道尤其是在转杯内高速旋转气流场中的力学特性，建立纤维/气流的耦合动力学模型及纤维在转杯内的滑移力学模型，实现对纤维运动形态的模拟；搭建了全透明单、双通道转杯纺纱器实验装置，采用彩色烟雾作为媒介，利用高速摄像机捕捉拍摄并记录转杯内气流流动动态过程，有效验证了理论计算模型；结合上述数值模拟和实验手段，对转杯纺纱及集聚纺纱装置的核心部件进行了设计。研究结果为揭示转杯纺成纱机理提供了理论基础，为气流成纱技术的发展及其关键部件的设计和成纱工艺的优化提供了理论指导，为开发纺纱新工艺提供可借鉴的结论。