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　　本文使用 SolidWorks Flow Simulation 對一款典型的氣流紡紗機(jī)核心部件進(jìn)行了CFD分析，通過流體動力學(xué)仿真分析，可以直觀地觀察紡紗機(jī)內(nèi)部流線分布和紡紗纖維的運動過程，并通過比較不同的壁面粗糙度參數(shù)計算結(jié)果，分析了紡紗機(jī)壁面粗糙度對紗線成型的影響。

　　一、引言

　　氣流紡紗機(jī)又叫轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)，氣流紡紗有速度大，紗卷大，適應(yīng)性廣，機(jī)構(gòu)簡單，不用錠子、鋼領(lǐng)、鋼絲圈的優(yōu)點，可成倍地提高細(xì)紗的產(chǎn)量。在各種新型紡紗方法與技術(shù)中，氣流紡紗由于其技術(shù)和產(chǎn)品的實用性，得到了大量的推廣與應(yīng)用。氣流紡紗的基本工作原理是，將纖維隨氣流輸送到高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁，在凝聚槽內(nèi)形成紗尾，同時被加拈成紗引出，直接繞成筒子。

　　氣流紡紗過程中輸入的氣流不是單一的空氣氣體，其中含有大量的紡織纖維，如何使用軟件進(jìn)行可視化的CFD模擬分析，是非常具有挑戰(zhàn)的問題。本文采用專業(yè)的計算流體動力學(xué)分析軟件 SolidWorks Flow Simulation 對氣流紡紗過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了內(nèi)部流體的速度場和壓力場分布等，并通過粒子追蹤方法，分析了纖維粒子的旋轉(zhuǎn)流動過程。

　　二、模型組成及分析說明

　　氣流紡紗機(jī)的原始模型含有密封墊、軸承、螺栓等部件，非常復(fù)雜。為方便計算分析，本文對原始模型進(jìn)行了簡化處理，其結(jié)構(gòu)基本組成及坐標(biāo)系如圖1。

　　圖1 模型組成

　　模型由定子、高速轉(zhuǎn)子和外殼三部分組成。其中氣流入口在定子上，直徑為1mm，入口流體的質(zhì)量流率為0.0002026kg/s，高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度為130000r/min，出口處的壓力邊界條件為96325Pa。

　　首先，使用FlowSimulation分析不含纖維粒子的氣體流動，實際問題中纖維對氣體的影響忽略不計;然后在該氣體流動跡線分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行纖維粒子流動分析。

　　三、模型創(chuàng)建

　　1.初始設(shè)置

　　使用FlowSimulation中提供的自動向?qū)��?chuàng)建功能，進(jìn)行如下設(shè)定，國際制(SI)長度單位為mm，旋轉(zhuǎn)速度單位為r/min，質(zhì)量流率單位為kg/h;分析類型為內(nèi)部流動，排除內(nèi)部沒有流動條件的空腔;流體類型為空氣;默認(rèn)初始條件;結(jié)果求解精度等級設(shè)為4，最小間隙設(shè)為1mm，其他默認(rèn)設(shè)置。

　　2.邊界條件

　　按圖1所示設(shè)置入口和出口邊界條件，入口質(zhì)量流率為0.73kg/h(圖2)，出口靜壓為96325Pa(圖3)，指定如圖4所示的真實壁面旋轉(zhuǎn)條件，指定旋轉(zhuǎn)速度。

　　3.初始條件

　　為了加快收斂計算速度，設(shè)置殼體內(nèi)部切向氣體初始速度為40m/s。在FlowSimulation中通過設(shè)置兩個方向的初始條件來實現(xiàn)，此處不再贅述。

　　四、結(jié)果分析

　　圖5是內(nèi)部流體速度場分布，從圖中可以知道，最大速度位于氣體入口處和轉(zhuǎn)子壁面處;圖6是Y向(豎直方向)速度分量圖，從圖中可知，出口處的Y向速度場較大，這與實際情況非常吻合。同時也可以發(fā)現(xiàn)，在殼體底部和轉(zhuǎn)子壁面處，Y向速度場接近于0，這說明在這些壁面處，有可能出現(xiàn)運動接觸后反彈。流動跡線顯示如圖7、圖8所示。

　　五、粒子流動分析

　　設(shè)置紡織纖維粒子材料為聚苯乙烯(Polystyrene)，使用反射壁面條件。設(shè)置兩種流動粒子，一種半徑為0.005mm(5μm)，另一種半徑為0.015mm(15μm)，結(jié)果圖9和圖10所示。

　　六、壁面粗糙度的比較

　　使用500μm的壁面粗糙度進(jìn)行計算，設(shè)置兩種流動粒子，一種半徑為0.005mm(5μm)，另一種半徑為0.015mm(15μm)，結(jié)果如圖11和圖12所示。從分析結(jié)果來看，增加壁面粗糙度對Y向速度場分布沒有太大影響，如圖13和圖14，壁面粗糙度主要影響ZX平面內(nèi)的速度場分布，如圖15和圖16。此外，從圖7和圖8的流動跡線對比可以看出，增加壁面粗糙度對流動跡線的速度大小有很大的影響。

　　七、結(jié)語

　　SolidWorks Flow Simulation 可以很好解決氣流紡織機(jī)械這類包含纖維或者粒子的復(fù)雜流體CFD計算問題，通過二次仿真計算可以直觀觀察流體的速度場和壓力場、粒子的運動狀況，為結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供有力的參考。