摘要 通过建立流体动力学模型，对多孔辊筒紧密纺纱系统集聚区流场进行模拟，分析槽宽、内胆负压、导流块对集聚区流场运动的影响。研究表明：多孔辊筒紧密纺纱系统是利用负压效应来产生集聚气流；内胆空气负压小时，抽气管出口速度大；吸风斜槽不同宽度和不同负压对气流集聚产生不同的集聚效果；紧密纺纱装置有导流块比无导流块的集聚效果好。经对比，数值模拟和实验结果得到了比较一致的结论，为气流聚集型纺纱装置的应用提供了可靠的理论依据。
近年来，气流聚集型纺纱装置在纺织工业生产中得到越来越广泛的应用。紧密纺在减少毛羽的同时提高纤维在纱体中的利用系数，纱线有较好的物理机械性能，纱线强力高[1-5]。根据紧密纺对纤维须条不同的凝聚方式，将其装置分为多孔网格皮圈式，打孔网格皮圈式，多孔辊筒式。国内多位专家及学者[6-9]主要对网格圈紧密纺纱装置集聚区气流进行了研究，高金霞等[10]通过Matlab软件对纤维在多孔辊筒紧密纺集聚区的运动轨迹进行了分析。本文选取多孔辊筒和辊筒内带长槽的异形截面紧密纺纱系统作为研究对象，分析槽宽、内胆负压、有无导流块对多孔辊筒集聚区流场运动的影响，并与实验对比，为多孔辊筒聚集型纺纱装置的合理设计提供理论依据。
1、数值模拟
1.1 多孔辊筒紧密纺纱原理
图1多孔辊筒紧密纺纱系统
图1为多孔辊筒紧密纺纱系统图。在细纱机罗拉轴上安装一个直径f40 mm的多孔辊筒，多孔辊筒表面分布了很多f0.8 mm的微小通孔，内部装有一个抽气系统，通过内部抽气使辊筒表面产生一定负压。当纤维束到达前罗拉轴和辊筒之间微小间隙区域时，在多孔辊筒表面负压作用下，纤维束将被吸附到辊筒表面并随辊筒运动。由于辊筒表面线速度高于前罗拉表面线速度，纤维束将被进一步牵伸和伸直，同时在此运动过程中纤维束的宽度将在多孔辊筒表面凝聚负压作用下被收缩，从而可基本上消除加捻三角区。纤维束在离开辊筒和下皮辊握持线后被加捻，形成纱线。
1.2 数值计算
根据Re=VdH/V（V为截面平均速度，dH为水力直径，v为流体运动黏度），计算所得雷诺数20000-50000，所以该流动是湍流。气流聚集型纺纱装置实际工作气流状态比较复杂，在研究中做了一定的简化假设：不考虑热交换，采用静边压，假设罗拉静止不动，只研究单向耦合问题[11]。根据M=V/C（c为音速），算得马赫数，所以该流场处于亚音速流动状态，采用密度加权的平均方程和雷诺应力模式相结合，可以较好地预测可压缩湍流平均运动。
根据多孔辊筒聚集型纺纱系统气流区特征，在gambit中建立气流区简化图，见图2。建立模型时，所取单元类型为FLUID5/6。本文在气流区采用网格单元是Tet/Hybrid，假定内管壁光滑，气体对管壁冲击影响不计，常温常压，斜槽倾角为12°。
图2流场模拟区域
在边界条件设置时，考虑到多孔辊筒表面是流场的进口，且流量和速度未知，因此采用压力进口边界条件，入口压强为1.01325×105 Pa；抽气管出口为压力出口。
由于上式中雷诺应力式为不封闭项，针对气流聚集型纺纱装置气流区特征，选取k -ε方程湍流模型来完成控制方程的封闭。封闭方程如下：
式中是常数，摩擦系数 
是壁面剪应力的特征量。 
控制方程的离散采用一阶迎风格式：
目前算法主要有SIMPLE，SIMPLER，SIMPLEC，PISO等，但SIMPLE不仅适用于交错网格，还可用于可压缩流场和非结构网格的数值计算，故本文选用SIMPLE算法。
2、结果与分析
2.1 内胆负压对气流的影响
内胆空气负压小时，抽气管出口速度大。当槽宽为2.5 mm，出口速度分别为5m3/h，7m3/h，9m3/h时，多孔辊筒XZ面的气流速度分布见图3。
吸风斜槽S1端（Z=17.5mm～20.0mm）为纤维须条输出端。由图3(a)可以看出，出口速度较小时，斜槽S1端气流集聚效果不好；随着速度增加，气流的吸附作用加强，斜槽中心线两边因气流流动产生横向气流力，吸风斜槽右侧的速度分量大于左侧，右侧的气流沿着斜槽方向有向左侧运动的趋势，使得纤维集聚到斜槽S1端，集聚效果较好且基本消除加捻三角区，见图3(b)；但当气流速度过大时，纤维被吸附在滚筒表面，摩擦力大，且耗电量大，同时增加了纺纱成本，集聚效果并无明显改善，见图3(c)。
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