基于空气变形喷嘴气流特征的纤维运动与成圈动力学模型

Air-jet textured yarn is characterized by such properties as bulky, warm, soft and spun-yarn like appearance due to its particular loop structure. It is thus widely used in varieties of new textile products as a sort of differential filament yarn. However, because the mechanism of fiber motion and loop formation in air-jet texturing have not been understood clearly, the structure and quality of air-jet textured yarn can't be controlled and predicted effectively yet. In this proposal, based on the characteristics of air flow in air-jet texturing nozzle, an air /fiber two-phase flow model for simulating the fiber motion in the nozzle is established by considering the turbulence of air and introducing fluctuation shear force into the fluid force on fiber; being aimed at the supersonic air flow at the nozzle exit, a model of fiber motion and loop formation under shock wave is established to predict the loop structure of textured yarn based on the calculation of the air flow parameters at nozzle exit with shock wave theory; the fiber motion, air flow parameters and yarn structure are observed and tested to verify the models and numerical simulation method established above. The research work proposed can provide theoretical guidance and prediction for process optimization and yarn quality control of air-jet texturing.

空气变形纱因其独特的纱线圈弧结构而具有蓬松、保暖、柔软和类似短纤纱外观等特点，作为一种差别化长丝纱广泛用于各类新型纺织品中。但是目前对于空气变形过程中的纤维运动和成圈机理尚缺乏较为深入的认识，还无法对空气变形纱成纱结构和加工质量进行有效控制和预测。本项目从空气变形喷嘴气流特征出发，考虑气流的紊流特征，将紊流横向脉动附加切应力引入纤维所受的流体力中，建立用于模拟空气变形喷嘴内纤维运动的气流/纤维两相流模型并进行数值计算；针对空气变形喷嘴出口处存在的超音速气流，采用激波理论计算喷嘴出口区气流参数变化，并在此基础上建立激波作用下的纤维运动与成圈力学模型，对空气变形圈弧结构进行预测；通过高速摄影、激光多普勒测速仪等方法对纤维运动过程、喷嘴气流流场和纱线结构参数进行实验测试和观察，对以上力学模型和数值模拟方法进行验证。本项目研究建立的模型和方法可为空气变形工艺优化和纱线质量控制提供理论指导和预测。

空气变形纱是一类借助高速气流介质和特殊喷嘴结构加工而成的差别化长丝纱，具有独特的圈弧结构和良好的蓬松性、保暖性和短纤纱风格，可用于开发各类新型纺织产品。但是，由于对空气变形过程中的纤维运动和成圈机理认识尚不明晰，目前对空气变形纱的成纱结构和加工质量还无法进行有效控制和预测。针对这一现状，本项目提出采用理论分析和数值模拟的方法，从空气变形喷嘴气流特征出发，建立适合空气变形加工条件的纤维/气流两相流模型，对变形加工中的纤维运动和成圈过程进行数值模拟，为空气变形纱加工工艺优化、纱线质量控制、新产品开发提供科学理论依据和预测方法。.本项目主要研究内容及获得的研究结果如下：.（1）变形喷嘴内气流场分布的数值模拟和分析：以JTC空气变形喷嘴为研究对象，采用工业CT和三维制图技术，实现了空气变形喷嘴三维结构的测量和重建；采用计算流体力学软件计算模拟空气变形喷嘴内的气流场分布，分析了不同加工条件下喷嘴内气流的压强、气流速度、马赫数等分布变化规律。.（2）建立了纤维/气流两相流模型和激波作用下纤维成圈力学模型，模拟变形过程中的纤维运动和成圈过程：根据空气变形喷嘴内气流流动特征以及纤维在气流场中的受力情况，建立了适合空气变形纱加工工艺特点的纤维/气流两相流模型；根据激波理论和纤维压杆弯折原理，建立了喷嘴出口处纤维在激波作用下的力学模型；根据以上模型分别模拟了锦纶纤维和涤纶纤维在实际变形加工条件下的运动和成圈过程。.（3）空气变形纱的制备与实验验证：以前面进行流场分析用的JTC喷嘴为变形装置，以PA6长丝（70D/68F）和PET长丝（75D/72F）为原料进行变形加工，对制得的空气变形纱的结构、性能进行了实验测试分析，并将实验得到的纱线结构与数值模拟结果进行对比，结果表明，本项目数值模拟结果与实际纱线测试结果具有良好的一致性。