基于元胞自动机原理的喷气涡流棉纤维成纱机理研究

MVS spinning process is considered to be the best spinning process and it is an important developing direction for modern spinning due to no needing high-speed rotating machinery..Because of lacking of mechanics understanding for the moving, aggregation, twisting to yarn of multi-fiber inside the vortex, there's no theoretical designing method to design twisting device. This leads to the yarn quality worse, device noise bigger and more energy consumption more. So it is difficult to promote the application of MVS spinning presently. It's thus urgent to deeply study the interaction law between multi-fiber and the vortex..These are the basic research: exploring the mechanics driving law of the air jet and the vortex to multi-fiber and between fibers, studying the interaction law between fiber bundles and the vortex, building the tow law's the numerical model..Firstly establish single fiber's computational mechanics model named double-layer multi-section of slender rods model by referencing DNA's analysis mechanical model and establish the vortex's model based on lattice gas cellular automata method and then study the interaction law between fiber bundles and the vortex. Secondly combined with the re-development of FLUENT software to develop a comprehensive simulation of the physical process for multi-fibers gathering to fiber bundle and the fiber bundle twisting to yarn in the vortex. And then prove mechanics understanding for the moving, aggregation, twisting to yarn of multi-fiber inside the vortex, provide a theoretical basis for designing MVS spinning device to more efficient, energy saving, lower noise.

喷气涡流加捻纺纱工艺是现代纺纱发展的重要方向，由于不需要高速转动的机械件，被认为是最理想的纺纱工艺。对多纤维在涡流场内的运动、聚集、加捻成纱机理缺乏力学深度的认识使得纺纱器设计缺乏理论依据，导致纱线质量低、纺纱器噪声大、能耗大，从而使得该工艺难以推广应用，迫切需要对多纤维-涡流场相互作用规律做深入研究。探索空气射流及其形成的涡流对多纤维的力学驱动规律及纤维间的力学驱动规律并形成数值模型、研究纤维束-涡流场的影响规律是基本研究内容。参考DNA分析力学模型，建立单纤维的双层多节细长棒式计算力学模型，建立涡流场的格子气元胞自动机模型，研究纤维束-涡流场的双向耦合作用规律，结合对FLUENT软件的二次开发综合模拟涡流场中多纤维聚集成纤维束、纤维束进一步被加捻成纱的物理过程，探明多纤维、纤维束在涡流场内的旋转、聚集、加捻成纱的力学机理，为高效、节能、低噪声喷气涡流纺纱器的设计提供理论依据。

喷气涡流纺纱工艺是现代纺纱发展的重要方向，不需要高速转动的机械件，被认为是最理想的纺纱工艺。对多纤维在涡流场内的运动、聚集、加捻成纱机理缺乏力学深度的认识使得纺纱器设计缺乏理论依据，导致纱线质量低、纺纱器噪声大、能耗大，从而使得该工艺难以推广应用，迫切需要对多纤维-涡流场相互作用规律做深入研究。为研究90°弯管内固液两相流动特征，采用多相流混合模型对水平90°弯管内水和沙粒固液两相流动进行数值模拟，分析弯管典型横截面上二次流现象，讨论其发展变化对沙粒浓度分布的影响。模拟结果显示：当Re＝5×10４ 时，随着入口沙粒浓度升高，弯管出口横截面中心区域混合流体速度趋于更均匀分布，随着入口沙粒直径增大，沙粒快速积聚于管道下侧，形成堆积；当Re数增大到2×10５ 时，在相同沙粒直径下，弯管出口横截面混合流体速度分布变化不大，除管道下侧区域外，沙粒浓度分布变得更均匀。与实验结果对比表明，该模型可用于弯曲管道内固液两相流动特性的有效计算。为研究转杯纺纱接头过程，应用Fluent流体计算软件对纺纱通道内气流场进行数值模拟，结合接头工艺研究了转杯纺纱通道内气流场特征。模拟结果揭示了接头过程纤维和纱线的运动规律：纤维经过纤维输送通道进入转杯内，纤维到达转杯内壁斜面上时一方面向凝聚槽中移动，一方面沿转杯旋转方向移动；纤维在凝聚槽50°位置处进入凝聚槽中且速度达到最大，为231m/s；纤维速度沿着转杯旋转方向逐渐减小，在凝聚槽250°处最小为30m/s；引纱管和转杯内存在负压，引纱管出口处负压最小为7827Pa，接头纱从引纱管吸入，在转杯内涡流的作用下被抛向转杯凝聚槽中，与纤维环进行搭接。空气-纤维两相流的研究中，由于纤维模型不能完全真实地反映棉纤维的物理特性，因此数值模拟研究存在一定的局限性。为了更准确地模拟棉纤维在气流场中运动，分析前人建立的纤维模型，采用高倍光学显微镜系统观测棉纤维的微观结构，综合考虑棉纤维拉伸、扭转、弯曲、塑性、摩擦性等力学特征，提出一种双层多节细长棒式的棉纤维结构模型。推导了相关的力学关系式，提出了该纤维结构模型中反映纤维力学性能的拉伸特性系数Ks、弯曲特性系数Kc、扭转特性系数Kt、摩擦特性系数μ、直径变化率ε5 个参数。该模型具有全面的纤维力学特性，完善了空气-纤维两相流问题中棉纤维模型，文中的研究提高了数值模拟的真实性和准确性。