基于高速旋转气流的纤维/气流耦合动力学模型

基于高速旋转气流的纺纱技术，包括目前的应用热点喷气纺纱和喷气涡流纺纱，是利用喷嘴中的高速旋转气流对纤维须条进行加捻，从而实现高速纺纱，这是目前极具发展前景的新型纺纱技术。但由于纤维与气流相互作用的复杂性，目前喷嘴结构设计和有关工艺参数的确定缺乏理论依据，主要依靠大量的实验探索，耗时、费力。具有高度柔性和极大长径比的纤维在喷嘴中加捻时，受到高速旋转气流的作用而产生弯曲、扭曲和旋转等柔性变形和高速运动；同时，纤维的柔性变形与运动反过来又作用于气流，改变气流的流动特性，形成复杂的流固耦合力学问题。本研究从建立柔性纤维模型及其在高速旋转气流场中运动的三维动力学模型出发，采用数值模拟的方法对流场中纤维/气流耦合作用及其相关过程作深入的研究，并进行实验验证。通过对高速旋转气流场中纤维/气流耦合运动力学特性的研究，揭示气流对纤维加捻、凝聚的作用规律，为喷嘴结构和相关纺纱工艺的优化设计提供理论基础。

基于高速旋转气流的纺纱技术，包括目前的应用热点喷气纺纱和喷气涡流纺纱，利用形成于喷嘴中的高速旋转气流对纤维须条进行加捻，从而实现高速纺纱，是目前极具发展前景的新型纺纱技术。具有高度柔性和极大长径比的纤维在喷嘴中加捻时，受到高速旋转气流的作用而产生弯曲、扭曲和旋转等柔性变形和高速运动；同时，纤维的柔性变形与运动反过来又作用于气流，改变气流的流动特性，形成复杂的流固耦合力学问题。本课题建立了柔弹性纤维模型，将纤维沿长度方向离散为若干等长的小段，将离散后的纤维横截面的拓扑结构沿纤维长度方向进行投影，则整个纤维体被离散为多个相互连接、互不重叠的子单元，纤维体受到的作用力被假设作用在各单元的节点上，在每个单元内部来求解纤维未知参数（位移、应变、应力等），将所有单元的解集合起来可获得整个纤维体上相应参数的解；对喷气涡流纺喷嘴内的高速旋转气流场的流动特征进行了三维数值模拟，并分析了重要参数对喷嘴内气流流动特征的影响；将纤维模型应用于喷气涡流纺喷嘴气流场中，在纤维/气流界面上满足耦合条件，建立纤维/气流耦合动力学模型，采用任意拉格朗日—欧拉法对纤维在喷嘴气流场中的流固耦合与运动变形进行求解；根据所建立的纤维在喷气涡流纺喷嘴气流场中的耦合动力学模型，对纤维在喷气涡流纺喷嘴气流场中的运动规律进行了数值模拟与分析，在此基础上，研究了纤维类型、喷嘴结构参数对纤维运动规律以及成纱性能的影响；将数值模拟对喷气涡流纺成纱强力的预测结果与人工神经网络的预测结果进行了对比，显示了数值模拟的预测结果具有较好的可靠性；采用高速摄影的方法对纤维在喷气涡流纺喷嘴气流场中的运动图像进行了捕捉，研究了参数对纤维运动规律的影响，与数值模拟结果进行对比；基于纤维/气流耦合作用规律的理论研究结果，对喷气涡流纺的喷嘴结构进行了设计，使喷嘴中气流的流动特性与纤维的运动规律更加合理，设计了具喷气涡流纺喷嘴装置。本课题共发表及录用SCI论文5篇，EI论文1篇，国际会议论文2篇，中文核心期刊论文5篇，其它论文3篇，申请发明专利2项，投稿SCI论文3篇，EI论文1篇，中文核心期刊论文1篇，获省部级科技进步奖一等奖1项，上海市优秀博士学位论文2篇，通过对高速旋转气流场中纤维/气流耦合运动力学特性的研究，揭示了气流对纤维加捻、凝聚的作用规律，为喷嘴结构和相关纺纱工艺的优化设计提供了理论基础。