柔性纤维在旋转剪切湍流场作用下的动力学特性研究

As an important textile equipment, rotor spinning machine has been widely adopted. The factors of turbulent shear flow field and fiber properties in rotor have a critical influence on the spinning process and rotor yarn quality, but have less consideration in rotor design process, so it can not ensure that the rotor spinning machine has the best performance and the most reasonable resultant yarn process. The project intends to study the deformation and dynamic behavior of flexible fibers in the rotor spinning rotating shear flow field, based on theoretical analyzing and numerical simulating of the single and superimposed force balance on beads, give out an adaptive solution algorithm of flexible fiber bead - chain model. The numerical calculation and analyzation will be carried out on different properties, size, shape flexible fibers formation and movement distribution in 3D rotating shear turbulence flow with various initial and boundary conditions. It's going to found the temporal and spatial evolution pattern of single flexible fiber multi-freedom deformation and dynamic behavior in 3D rotating shear turbulence, and the impact mechanism of the flow microstructure and macroscopic characteristics to the different dynamic events of multiple flexible fibers. It will provide theoretical support to the further improve of rotor spinning process and rotor spinning machine design.

转杯纺作为重要的纺织设备，已经得到广泛采用。转杯内的旋转剪切气流场和纤维自身物性等因素对转杯纺纺纱工艺、成纱质量有至关重要的影响，但设计过程中却较少考虑，故不能保证转杯纺纱机具有最佳的性能指标和最合理的成纱工艺。本项目拟以转杯纺旋转剪切流场内柔性纤维的各种变形及动力学事件为研究对象，在对圆珠各项受力做单独及叠加效果的理论分析、数值模拟基础上，建立柔性纤维珠?链模型自适应求解算法；开展不同初始、边界条件的三维旋转剪切湍流场内不同物性、形状尺寸柔性纤维形态及运动分布的数值计算分析，获得单根柔性纤维在旋转剪切流场中的多自由度变形的时空演变规律，获得多根柔性纤维的不同动力学事件受流场微结构及宏观特征的影响机理，为进一步完善转杯纺纱工艺和转杯纺纱机设计提供理论支撑。

转杯内的旋转剪切气流场和纤维自身物性等因素对转杯纺纺纱工艺、成纱质量有至关重要的影响却尚未有充分研究。本项目以剪切湍流中柔长纤维的运动特性为主要研究目标，对该目标进行合理分解后逐步开展了如下三个层面的研究，分别是（1）平面简单剪切湍流场中不同粒径及不同入射速度颗粒在空间的分布特性研究；（2）自由边界剪切湍流场中的高浓度颗粒凝并增强研究，自由边界剪切射流场中基于珠链模型的柔长纤维动力学数值模拟和纤维抖动状态的实验研究，纤维-射流耦合数值研究；（3）三维旋转边界剪切湍流中不同粒径颗粒输运的大涡模拟研究，平面旋转湍流中不同初始位置、纤维长度和边界转速对纤维运动的影响研究。结果显示剪切射流场中的纱线在初始阶段，轴线方向纱线与流场存在较大速度差，纱线处于明显加速阶段，随后速度差变小，纱线处于缓加速状态；将纤维一端固定，靠近纱线头端1cm到2cm范围内，纱线波动比较明显，产生明显的弯曲变形特性，纤维受到应力最大的部分往往集中在纤维的弯曲部位以及纤维与喷嘴壁面的接触部位；在旋转边界剪切湍流场中，纤维长度越长，在同一初始位置时纤维被壁面完全吸附达到高速所经历的时间越短，其不发生折叠和翻转的位置距离流场中心越近，同时在该位置被加速到高速的时间也越长；当转速一定时，纤维的长度越短，其适宜纺纱初始位置的范围越远离中心，同时纺纱效率越高；相对于高转速流场(细纺)，在低转速流场(粗纺)中，纤维的运动状态更加不稳定；同时纤维越短，纤维的运动状态就越稳定，成纱效率越高。通过上述研究，本项目基本达到了计划书的预期目标，为射流织机和转杯纺机的工业生产提供了一定的理论支撑。