论文部分内容阅读
纺织领域中的诸多加工方法是基于气流对纤维的分离和凝聚作用使得纤维重新分布、排列和加捻来实现的，纤维与气流间的耦合作用成为气体应用于纺织领域需要解决的共性问题。由于纤维与气流间的相互作用复杂多变，导致气固耦合机理的研究进展缓慢，气流在纺织领域的应用还缺乏基础研究。本文是以喷气涡流纺喷嘴为研究对象，建立喷嘴及纤维的三维模型，构建纤维/气流/壁面体系接触模型，研究高速气流/纤维耦合作用下气流场的瞬时流动特征以及单根自由端纤维在高速旋转气流场中的动态演变规律，在理论上阐明纤维在三维空间中随高速气流运动的运动学及动力学特征。对气流/纤维耦合作用的研究有助于合理有效地利用气流指导纺织加工过程，优化产品质量，拓展新工艺。
本文主要采用数值模拟仿真的方法进行纤维/气流耦合作用的研究。本文的研究工作在两方面区别于以往的研究：
(1)进一步研究纤维(束)存在条件下非定常流动且可压缩气流场的流动特征，不仅考虑到计算量及多边界的影响，采用动网格技术进行模拟，而且在能量方程中，考虑了湍动、粘性等因素的影响，这是因为喷气涡流纺喷嘴内的高速气流是一种湍流流动，且气流与喷嘴内壁面会产生相互作用，即气流的粘性不可忽略，因此，综合考虑这些因素会使得气流场的模拟预测结果更加贴合实际。而前人则主要关注稳定纺纱阶段无纤维(束)存在条件下的气流流动特征，且假设气流为定常流动，并忽略粘性和湍动等的影响。
(2)完善现有的三维纤维模型，对纤维模型使用six-dof六自由度计算模型；构建纤维/气流/壁面体系的接触模型，结合接触力学和摩擦力学，建立纤维/气流/壁面的受力方程；采用二阶非线性双渐近法的思路获得纤维/气流耦合作用的运动学及动力学方程，该方法是一种全场求解的方法，不仅考虑流场的可压缩性，同时考虑纤维的运动非线性；采用混合四面体及六面体划分网格并结合动网格技术初步模拟出高速旋转射流作用下单根自由端纤维的运动规律。
本文的主要研究内容如下：
(1)高速旋转射流的形成机理及气流运动规律研究
第2章内容模拟研究引纱阶段过渡到稳定纺纱阶段的气流场分布特征，初步预测气流运动对纺纱效果的影响；采用纺纱实验并借助扫描电子显微镜，分析机器启动过程中喷气涡流粘胶纱的强度及纱体结构，以验证数值模拟结果的洽合性。研究方法为：基于三大守恒方程，结合Realizablek-ε方程及壁面函数法来求解，采用适应性较好的四面体网格划分气流区域，模拟机器启动时气流的运动及发展规律，并辅以纺纱实验验证，为研究气流/纤维耦合相互作用奠定基础。
第3章内容研究高速气流进入喷嘴内部形成高速旋转射流后的运动轨迹及气流场分布特征。受计算量及多边界的影响，采用结构化六面体和非结构化四面体的混合网格对气流区域重新进行网格划分，并采用动网格技术进行模拟，初步考虑在各种边界条件下、纤维存在条件下，高速旋转气流在非定常流动可压缩气流场中的运动特征，系统详细地揭示气流的压力场、速度场、湍流场、气流轨迹等的分布特征，并初步定性预测气流在多边界条件下运动对纤维加捻效果的影响，为第4章研究纤维在高速气流场中的运动规律铺好基础。
(2)高速旋转射流作用下气流/纤维耦合作用机理研究
采用二阶非线性双渐近法研究稳定纺纱阶段高速旋转射流作用下气流/纤维耦合作用规律，探索气/固两相耦合后气流场和纤维相互作用的运动学条件和动力学条件；探讨自由端纤维在气流作用下的拉伸、弯曲和扭转等非线性大变形问题，明确高速旋转射流作用下气流/纤维耦合作用机理，为高速气流作用下单根自由端纤维加捻过程的动态模拟奠定理论基础。
(3)高速旋转射流作用下纤维分离凝聚动态过程及包缠加捻机理研究
完善单根自由端纤维的三维数值计算动力学模型，构建纤维/气流/壁面体系的接触模型，结合接触力学和摩擦力学，建立纤维/气流/壁面的受力方程，模拟高速旋转射流作用下纤维分离凝聚动态演变过程，研究单根自由端纤维随气流作用力被拉伸、弯曲或扭转的动态演变规律，定性实验观察自由端纤维从纱体中心分离出来的动态过程，并结合纺纱实验来分析自由端纤维包缠到纱体的数量和包缠程度，来研究自由端纤维的包缠效果对喷气涡流纱强度的影响。明晰自由端纤维包缠加捻机理，奠定相应的气流包缠加捻成纱机制的理论基础。
本文结合定性和定量两种方式验证气固耦合研究方法的合理性。定性方法有两种，一是采用水流代替气流并采用单根纱替代纤维来直观观察单根纱在水流中的运动情况；二是借助高倍放大显微镜初步观测纺纱状态下单根自由端纤维在高速旋转气流作用下运动时的形态及变化。定量方法是通过对比分析单根自由端纤维运动时其中间点产生的水平位移及进入加捻腔的气流流量这两个参数来定量验证自由端纤维运动模拟结果的合理性及气流场模拟结果的准确性。
结果表明：数值模拟结果与实验研究结果具有较好的吻合性，说明动态数值模拟可以较好地解决实验研究难以观测到的纤维动态分离、凝聚过程这一难题，对于纺织领域中应用到气流的技术具有一定的理论指导意义。
本文主要采用数值模拟仿真的方法进行纤维/气流耦合作用的研究。本文的研究工作在两方面区别于以往的研究：
(1)进一步研究纤维(束)存在条件下非定常流动且可压缩气流场的流动特征，不仅考虑到计算量及多边界的影响，采用动网格技术进行模拟，而且在能量方程中，考虑了湍动、粘性等因素的影响，这是因为喷气涡流纺喷嘴内的高速气流是一种湍流流动，且气流与喷嘴内壁面会产生相互作用，即气流的粘性不可忽略，因此，综合考虑这些因素会使得气流场的模拟预测结果更加贴合实际。而前人则主要关注稳定纺纱阶段无纤维(束)存在条件下的气流流动特征，且假设气流为定常流动，并忽略粘性和湍动等的影响。
(2)完善现有的三维纤维模型，对纤维模型使用six-dof六自由度计算模型；构建纤维/气流/壁面体系的接触模型，结合接触力学和摩擦力学，建立纤维/气流/壁面的受力方程；采用二阶非线性双渐近法的思路获得纤维/气流耦合作用的运动学及动力学方程，该方法是一种全场求解的方法，不仅考虑流场的可压缩性，同时考虑纤维的运动非线性；采用混合四面体及六面体划分网格并结合动网格技术初步模拟出高速旋转射流作用下单根自由端纤维的运动规律。
本文的主要研究内容如下：
(1)高速旋转射流的形成机理及气流运动规律研究
第2章内容模拟研究引纱阶段过渡到稳定纺纱阶段的气流场分布特征，初步预测气流运动对纺纱效果的影响；采用纺纱实验并借助扫描电子显微镜，分析机器启动过程中喷气涡流粘胶纱的强度及纱体结构，以验证数值模拟结果的洽合性。研究方法为：基于三大守恒方程，结合Realizablek-ε方程及壁面函数法来求解，采用适应性较好的四面体网格划分气流区域，模拟机器启动时气流的运动及发展规律，并辅以纺纱实验验证，为研究气流/纤维耦合相互作用奠定基础。
第3章内容研究高速气流进入喷嘴内部形成高速旋转射流后的运动轨迹及气流场分布特征。受计算量及多边界的影响，采用结构化六面体和非结构化四面体的混合网格对气流区域重新进行网格划分，并采用动网格技术进行模拟，初步考虑在各种边界条件下、纤维存在条件下，高速旋转气流在非定常流动可压缩气流场中的运动特征，系统详细地揭示气流的压力场、速度场、湍流场、气流轨迹等的分布特征，并初步定性预测气流在多边界条件下运动对纤维加捻效果的影响，为第4章研究纤维在高速气流场中的运动规律铺好基础。
(2)高速旋转射流作用下气流/纤维耦合作用机理研究
采用二阶非线性双渐近法研究稳定纺纱阶段高速旋转射流作用下气流/纤维耦合作用规律，探索气/固两相耦合后气流场和纤维相互作用的运动学条件和动力学条件；探讨自由端纤维在气流作用下的拉伸、弯曲和扭转等非线性大变形问题，明确高速旋转射流作用下气流/纤维耦合作用机理，为高速气流作用下单根自由端纤维加捻过程的动态模拟奠定理论基础。
(3)高速旋转射流作用下纤维分离凝聚动态过程及包缠加捻机理研究
完善单根自由端纤维的三维数值计算动力学模型，构建纤维/气流/壁面体系的接触模型，结合接触力学和摩擦力学，建立纤维/气流/壁面的受力方程，模拟高速旋转射流作用下纤维分离凝聚动态演变过程，研究单根自由端纤维随气流作用力被拉伸、弯曲或扭转的动态演变规律，定性实验观察自由端纤维从纱体中心分离出来的动态过程，并结合纺纱实验来分析自由端纤维包缠到纱体的数量和包缠程度，来研究自由端纤维的包缠效果对喷气涡流纱强度的影响。明晰自由端纤维包缠加捻机理，奠定相应的气流包缠加捻成纱机制的理论基础。
本文结合定性和定量两种方式验证气固耦合研究方法的合理性。定性方法有两种，一是采用水流代替气流并采用单根纱替代纤维来直观观察单根纱在水流中的运动情况；二是借助高倍放大显微镜初步观测纺纱状态下单根自由端纤维在高速旋转气流作用下运动时的形态及变化。定量方法是通过对比分析单根自由端纤维运动时其中间点产生的水平位移及进入加捻腔的气流流量这两个参数来定量验证自由端纤维运动模拟结果的合理性及气流场模拟结果的准确性。
结果表明：数值模拟结果与实验研究结果具有较好的吻合性，说明动态数值模拟可以较好地解决实验研究难以观测到的纤维动态分离、凝聚过程这一难题，对于纺织领域中应用到气流的技术具有一定的理论指导意义。