拉瓦尔管结构对涤纶全拉伸丝吸丝枪流场的影响

李永贵，魏 曼，陈东生

(1.纺织服装福建省高校研究工程中心(闽江学院)，福建 福州 350108;2.江南大学纺织服装学院，江苏 无锡 214122)

拉瓦尔管结构对涤纶全拉伸丝吸丝枪流场的影响

李永贵1，2，魏 曼2，陈东生1

(1.纺织服装福建省高校研究工程中心(闽江学院)，福建 福州 350108;2.江南大学纺织服装学院，江苏 无锡 214122)

为给提高吸丝枪性能提供技术支持，使用CFX 12.1软件对具有不同拉瓦尔管结构的吸丝枪内部流场进行模拟，分析了流场分布与吸丝性能之间的关系，阐明了拉瓦尔管结构对吸丝枪性能的影响机制。模拟结果和实验结果相吻合，合理的拉瓦尔参数为收缩角α=90°，扩大角β=6°。合理的收缩角有利于气流在拉瓦尔管中平稳加速，减少返流与乱流，并避免产生强烈的正激波，减少动能损失，从而提高吸丝效率;合理的扩大角能使吸丝枪内气流速度周向分量和高速高密气流区域长度适中，增加空气对纱线的拖曳力，减小管壁对纱线的摩擦力，降低正激波产生的动能损失，提高吸丝效率。

吸丝枪;拉瓦尔管;流场;数值模拟

传统吸丝枪的吸丝速度不超过6 km/min［1－3］。在超高速(卷绕速度6～12 km/min)纺丝时，需要先降低卷绕速度，完成生头或换筒后再回到正常的速度，降低了纺丝效率，影响成丝质量。因此，迫切需要开发新型的超高速吸丝枪［4－5］。

涤纶全拉伸丝(FDY)吸丝枪主要结构参数对吸丝效率［6］、流场［7－8］和纱线运动［9－10］的影响已被阐明。吸丝枪的喷嘴和拉瓦尔管结构也进一步得到优化［11－13］，为制备高性能吸丝枪提供了技术支持。但是，作为吸丝枪的重要部分拉瓦尔管的结构对吸丝枪性能的影响机制尚未阐明。本文使用计算流体动力学软件CFX 12.1，对具有不同拉瓦尔管结构的吸丝枪的内部流场进行数值模拟，分析其流场分布与吸丝性能之间的关系，揭示拉瓦尔管结构对吸丝枪性能的影响机制，为进一步提高吸丝枪性能提供理论依据。

1 吸丝枪的结构参数

图1示出吸丝枪的结构示意图。其原理在文献［11］中已做了详细说明，本文不再重复。本文考察的拉瓦尔结构管参数为收缩角α和扩大角β。收缩角 α 取值分别为60°、90°、120°、150°;扩大角 β 取值分别为 2°、4°、6°、8°、10°。

图1 吸丝枪结构示意图Fig.1 Illustration of yarn suction gun.(a)Yarn suction gun;(b)Nozzle

2 数值模拟方法

由于纱线直径比丝道的尺寸小得多，对流场的影响可以忽略不计，因此，数值模拟是在假设气道中没有纱线的条件下进行的，大大简化了计算。图2示出吸丝枪的三维计算域。由于文献［13］采用0.6 MPa(绝对压力，以下同)的供气压力进行实验，为了便于比较，本文采用压缩空气供气压力p0=0.6013 MPa和绝对温度T0=293 K。由于喷孔直径相对很小，气流在喷孔中会达到超临界状态［14］，因此，喷孔入口的边界条件采用临界条件。直管出口和吸入管入口边界条件为环境大气，即气压Pa=0.1013 MPa和绝对温度Ta=293 K。空气被假设为是黏弹性理想气体。控制方程选择三维非定常可压缩Navier-Stokes方程，湍流模型选用k-ε模型。空气在吸丝枪内高速运行，几乎没有时间和外界进行热交换，所以该气流假设为绝热气流。采用该方法计算模拟吸丝枪内流体分布具有较高的准确度，模拟结果和实验结果基本吻合［7－8］。

本文使用CFX 12.1软件对吸丝枪内部流场进行数值模拟。所用的计算机为 Dell T5500(2个CPU(Intel＆ XeonE5630，2.53GHz);RAM 12.0gB)。例如，对于吸丝枪(α =90°和 β =4°)，网格数为9685143，需要8 h完成计算。

图2 三维计算域Fig.2 Three-dimensional computation domain.(a)Front view of yarn suction gun;(b)Vertical view of yarn suction gun;(c)Local region in and near nozzle

3 结果与讨论

3.1 收缩角α对吸丝枪流场的影响

α值的变化是通过调节喉部位置和拉瓦尔管扩大部的长度来实现的。β采用文献［13］中的参数，β =4°。

图3示出xz平面上不同α的吸丝枪内在拉瓦尔管及其附近的气流密度ρ和气流速度v分布图。如图所示，在喉部附近产生真空负压区，使得吸丝枪入口处产生负压，将纱线吸入，且随着α的增大，喉部附近的真空区逐渐减小，同一位置形成的高密高速气流层的ρ和v逐渐减小，即涡流强度逐渐减弱。如图3(b)所示，在喉部产生超音速流，气流在扩大部膨胀，压强降低，流速增加。但随着α的增加，在拉瓦尔管扩大部上游产生的正激波变得明显，其将空气部分动能转化成对吸丝没有作用的热能。

图3 xz平面上不同收缩角α的吸丝枪内气流密度ρ和气流速度v分布图(β=4°)Fig.3 Contours of air density ρ(a)and air velocity v(b)in xz plane at different α (β =4°)

图4示出收缩角α对在纱线吸入管入口中心处气流速度vi的影响。vi可以用于研究几何结构对吸丝枪捕获力Fc的影响，即吸丝枪对入口处纱线的捕获能力，这是吸丝枪的一个重要特征。如图4所示，vi在α=90°处最大，但随α的改变其变化幅度很小。因此，α对Fc影响较小。

图4 α对纱线吸入管入口中心处气流速度vi的影响(β=4°)Fig.4 Influence of α on air velocity at center of yarn suction tube vi(β =4°)

图5示出具有不同α的吸丝枪喉部、拉瓦尔管中部和直管中部的气流速度轴向分量vz和周向分量vc的径向分布图。气流径向速度分量与vz、vc相比非常小，可以忽略不计，所以本文不做讨论。

如图5所示，在拉瓦尔管和直管中，管壁附近的vz与vc均远大于中心区域，所以形成了较强的涡流。在喉部管壁附近，随着 α的增大，vc逐渐减小(见图5(a)、(d))。如图5(b)、(e)所示，在拉瓦尔管中部，当 60°≤α≤150°时，α 对 vc和 vz的影响并不显著。在直管中，vz与vc的分布几乎不受α的影响(见图5(c)、(e))。

吸丝张力F，即吸丝枪对纱线的吸引力。当纱线速度不变时，F由v、ρ和纱线在气流中的长度L决定［12］，其中L影响最大。随着vc的增加，在旋流中运动的纱线的螺距变小，L变大，空气与纱线的接触面积增大，使得它们之间的摩擦力(空气对纱线的拖曳力)增加，最终导致F增大。

由模拟所得的速度矢量图(由于篇幅所限，本文未列出)可知，当α过大时(如α=150°)，在拉瓦尔管收缩部产生较多的乱流和返流，这可能导致吸丝张力降低。其原因可能是合理的，α有利于引导气流平稳加速。当α过小时，收缩部对入射气流的引导作用太弱，同样，当α过大时，压缩空气流入孔喷出的空气近似垂直喷射到拉瓦尔管收缩部管壁上，造成更多的返流和乱流，从而导致吸丝张力的降低。而且，α＞120°时，喉部产生的正激波较强烈，损失更多的动能，导致吸丝张力降低。

图5 不同收缩角α的吸丝枪内空气轴向速度分量vz和周向速度分量vc的径向分布(β=4°)Fig.5 Radial distributions of vzand vcat different α (β =4°).(a)vzof throat;(b)vzof middle of Laval tube;(c)vzof straight tube;(d)vcof throat;(e)vcof middle of laval tube;(f)vcof straight tube

根据模拟结果可知，α对纱线吸入管中的空气速度影响很小，主要影响到拉瓦尔管喉部附近的流场分布。α=90°时，收缩部气流能平稳加速，也可避免枪内产生返流、乱流和强烈的正激波。因此，α=90°时较合理，吸丝效率最高。这与文献［13］的结果吻合。

3.2 扩大角β对吸丝枪流场的影响

图6 不同扩大角β的吸丝枪内的空气密度ρ和速度v分布图(α=90°)Fig.6 Contours of air density ρ(a)and air velocity v(b)at different β(α =90°)

图6示出xz平面上具有不同扩大角的吸丝枪在拉瓦尔管及其附近的ρ和v的分布图。由图可知，随着β的增大，喉部附近的真空区先增大然后减小，即枪内涡流先变强后减弱。当β＞6°时，开始产生正激波，并逐渐增强，导致空气动能损失增加，故β的取值不宜过大。由速度矢量图(本文未给出)可知，β=10°时，在直管后半部接近出口处的气流出现紊乱和乱流，这可能是导致其吸丝力降低的主要原因。

图7示出β对vi的影响。随着β的增大，vi先升后降，在β=6°达到最大值，故在β=6°时吸丝枪的Fc最大，纱线更容易吸入。

图7 β对纱线吸入管入口中心处气流速度vi的影响Fig.7 Influence of β on air velocity at center of yarn suction tube vi(α =90°)

图8示出不同β的吸丝枪内拉瓦尔管喉部、拉瓦尔管中部和直管中部的vz和vc的径向分布。如图8(a)、(d)所示，在喉部管壁附近，随着 β的增大，vz明显增大，而 vc减小;如图 8(b)、(e)所示，在拉瓦尔管中部，随着β的增大，管壁附近的vc明显降低，而 β=6°时 vz最大。如图 8(c)、(e)所示，直管中部vz与vc的分布受β的影响很小，但在β=6°时，vc达到最大值;β=10°时，vc在径向的分布比较均匀，涡流特征几乎消失。

由上述分析可知，随着β的减小，vc逐渐增加，理论上吸丝力F应该增大。但实验证明(实验方法及结果见文献［13］)，F在β=6°处取得最大值。其原因可能是，纱线在拉瓦尔管中随涡流做螺旋运动。随着β的减小，尽管vc随之增大，提高了气流对纱线的拖曳力，有利于F的提高;但同时增加的纱线离心力和高速高密空气区域增大了管壁对纱线的摩擦力，阻碍F增大。若β过小，后者成为主要影响因素，导致F减小。而β过大，在拉瓦尔管扩大部出现正激波且向上游移动，激波强度较大，使得过多的动能转化为势能，减少了对纱线的有效推动力。

结合模拟与实验结果［13］可知，β =6°较佳，使吸丝枪内流场分布更加合理，不仅提高空气对纱线的拖曳力，而且可减小纱线与管壁的摩擦力，避免正激波的出现，从而提高吸丝效率。

图8 不同收缩角β的吸丝枪内气流轴向速度分量vz和周向速度分量vc的径向分布(α=90°)Fig.8 Radial distributions of vzand vcat different β(α =90°).(a)vzof throat;(b)vzof middle of Laval tube;(c)vzof straight tube;(d)vcof throat;(e)vcof middle of Laval tube;(f)vcof straight tube

4 结论

本文通过数值模拟考察了拉瓦尔管结构对涤纶全拉伸丝吸丝枪内部流场分布的影响，得到如下结果:当拉瓦尔管收缩角α=90°和扩大角β=6°时，吸丝枪有最大的吸丝效率;合理的α有利于气流在拉瓦尔管收缩段平稳加速并顺利通过喉部。α过小时，入射的气流周向速度分量较小，涡流较弱。α过大时，吸丝枪内产生强烈的正激波和更多的返流、乱流，空气动能损失增加，降低了吸丝张力;合理的β使吸丝枪内高速高密空气区域长度和vc适中，提高了空气对纱线的拖曳力，减小了纱线与管壁的摩擦力，降低了正激波的强度，减少正激波产生的动能损失，从而提高了吸丝效率。若β过小，管壁对纱线的摩擦力增大，阻碍了吸丝力F的增大。β过大，则在拉瓦尔管扩大部出现强烈的正激波，减少了对纱线的有效推动力。

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Influence of Laval tube geometry on airflow characteristics in yarn suction gun for polyester fully drawn yarn

LI Yonggui1，2，WEI Man2，CHEN Dongsheng1
(1.Fujian Engineering Research Center for Textile＆ Clothing(Minjiang University)，Fuzhou，Fujian 350108，China;2.College of Textile and Clothing，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China)

For the purpose of providing technique support for improvement of yarn suction gun，software CFX 12.1 was used to simulate airflow patterns in the yarn suction gun with different geometrical parameters of the Laval tube，and the relation between the flow patterns and yarn suction performance was discussed.The influence mechanism of Laval tube geometry on the yarn performance was clarified.The simulation results and the experimental ones are in good agreement and the rational parameters were obtained as follows:the converging angle of Laval tube α =90°and the diverging angle of Laval tube β =6°.A rational converging angle of Laval tube accelerates the airflow smoothly in the Laval tube，and avoids more backflows and strong normal shock wave occurred in the Laval tube，which reduces kinetic energy loss.As a result，the suction efficiency increases.The suction efficiency can be raised through an appropriate diverging angle，which makes circumferential velocity component of airflow and air region of high speed and high density moderate.This increases drag force of air on the yarn and reduces friction of wall on the yarn and kinetic energy loss caused by the normal shock wave.

yarn suction gun;Laval tube;airflow;numerical simulation

TS 152.8

A

10.13475/j.fzxb.20140705606

2014－07－24

2015－02－11

福建省中青年教师教育科技项目(JK2014042)

李永贵(1972—)，男，副教授，博士。主要研究方向为纺织流体机械。E-mail:lygwxjd@sina.com。