切向引射旋流场中纤维束非线性动力学特性研究

The tangentially injected swirling tube flow has gained a wide range of important engineering applications. In the textile industry, swirling airflow generated in the yarn twisting tube via tangential injection is utilized to twist the fiber bundle, which has initiated the promising high-speed spinning technology. Complex swirling flow field is usually generated inside the yarn twisting tube due to its complex structure employed at present. Driven by the swirling shear flow inside the twisting tube, the slender fiber with high flexibility and large aspect ratio will exhibit vortex-induced vibration and nonlinear dynamic behaviors of bifurcation, instability led by the coupling of the bend and twist deformations, and the resulted dynamic response with large amplitude. In addition, the inter-fiber forces such as contact and friction will arise when the fibers in the bundle cohere and wind around each other to form the yarn with the action of the ambient flow field. This project investigates the nonlinear dynamic behavior of the textile fibers in the tangentially injected swirling flow field in the complex yarn twisting tube, and the dynamics and kinematics involved in the multi-fiber twist insertion process using numerical simulation and experimental methods. Besides, the helical movement configuration and trajectory of the fibers are to be characterized quantitatively to establish their correlation to the yarn structure. This research is expected to provide a theoretical guidance to the optimization of the yarn structure and property and the design of the yarn twisting tube and to establish a theoretical foundation for the development of the yarn spinning technology based on swirling airflow.

管内切向引射旋流在工业领域中有着广泛而重要的应用。在纺织工业中，利用沿切向射入加捻管而形成的旋转气流对纤维束进行加捻，为高速纺纱开创了新的前景。由于目前所应用的纺纱加捻管结构复杂，在其内部形成复杂的旋流场。极端细长的柔弹性纤维在加捻管内旋转剪切流的驱动下产生涡致振动并呈现分岔、弯曲与扭转变形耦合所导致的失稳及其所引起的大动态响应等非线性运动特征；而纤维束在流场力的作用下相互抱合、缠绕而形成纱线时，纤维与纤维之间更存在着接触、摩擦等相互作用力。本项目采用数值模拟与实验研究方法，对柔弹性纤维在复杂纺纱加捻管内切向引射旋流场中的非线性运动行为及多纤维加捻过程的动力学与运动学特性进行研究，并对纤维的螺旋运动构型和轨迹进行定量表征，建立纤维螺旋运动轨迹与成纱结构的相关性关系。研究结果旨在为成纱结构与质量的优化、纺纱加捻管的设计提供理论指导，为旋转气流纺纱加捻技术的提高与发展奠定理论基础。

管内切向引射旋流在工业领域中有着广泛而重要的应用。在纺织工业中，利用沿切向射入加捻管而形成的旋转气流对纤维束进行加捻，为高速纺纱开创了新的前景。由于目前所应用的纺纱加捻管结构复杂，在其内部形成复杂的旋流场。极细长的柔弹性纤维在加捻管内旋转剪切流的驱动下产生非线性运动特征，纤维束在流场力的作用下相互抱合、缠绕而成纱。本项目建立了基于粒子层面模拟的柔弹性纤维/气流动力学模型，实现了纤维在剪切流中运动状态的数值模拟与大长径比柔弹性纤维在管内切向引射旋流场中的动力学特性分析；构建了基于有限单元法的大长径比柔弹性纤维模型并进行数值求解，获得了纤维在喷气涡流纺喷嘴高速气流场中的运动规律以及苎麻纱毛羽在气流减羽喷嘴内的动力学特性；在基于粒子层面模拟的纤维/气流动力学模型的基础上，建立了多纤维加捻的力学模型，实现了纤维自接触、纤维/纤维以及纤维/壁面接触和碰撞的数值计算；采用粒子图像测速技术和计算流体动力学技术分别对喷气涡流纺喷嘴模型——不等长同心圆管腔体内切向旋流场进行了实验与数值模拟研究，并研究了加捻管结构参数对旋流流动特性的影响；引入纤维分离程度、螺旋包缠周期数以及螺旋回转幅度等三个纤维运动规律参数对纤维在成纱中的包缠效果进行定量表征，建立了纤维螺旋运动轨迹与成纱结构的相关性关系；构建了基于后向光散射法的纱线捻回角测量方法，对纱线的捻回角进行了测量，获得了纱线后向散射图像，并与采用光学显微镜结合图像处理技术分析得到的纱线表面捻回角进行了对比；结合上述数值模拟与实验研究结果，对喷气涡流纺关键部件——喷嘴进行了设计。研究结果为揭示切向引射旋流场中纤维束的非线性动力学与运动学特性提供了理论基础，为旋转气流纺纱加捻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，也为其它涉及大长径比柔弹性纤维集合体/高速旋流相互作用的两相流问题的研究提供了可借鉴的结论。