基于Fluent 的三维和二维集聚纺流场模拟与分析

唐新军 李 菁 曹吉强

（1.新疆工程学院，新疆乌鲁木齐，830023；2.新疆大学，新疆乌鲁木齐，830017）

集聚纺纱技术可纺制高品质纱线，目前国际上主要有立达（Rieter）、绪森（Sussen）、丰田（Toyota）、青泽（Zinser）这4 种不同结构的气流式集聚纺纱系统[1］，其集聚原理基本相同，是将牵伸后的纤维须条吸附到集聚区表面，主要在二维（2D）平面上达到集聚效果。近几年立达公司又推出了新一代三维（3D）集聚纺技术，是在空间多个方向上对纤维进行集聚。新一代的网格圈式3D 集聚纺技术表现卓越，成纱强度提高0.5 cN/tex~1 cN/tex，常发性纱疵减少20%，节能达60%，运营成本节省达10%，该技术具有很好的发展前景。目前对于2D 集聚纺技术的研究较多[2-6］，而对3D 集聚纺技术的研究较少，对其机理进行研究具有重大意义。通过参考立达公司官方网站，收集最新产品资料，本研究通过对图片进行处理，进一步反推设备集聚区的结构，对结构进行建模对比，分析两代集聚纺结构上的差异。同时，通过Fluent 软件对四罗拉集聚纺系统集聚区的气流进行数值仿真模拟，得到2D 集聚纺和3D 集聚纺集聚区的气流运动特性和规律，对关键特征面和特征线进行分析，希望为设计更加高效的集聚纺系统提供理论依据。

1 3D 集聚纺技术

近几年立达公司推出的3 款集聚纺装置拆卸简便，可与环锭细纱机轻松配合使用，分别是提高强力的COMPACTapron、减少毛羽的COMPACTdrum、可横动的机械式集聚纺COMPACTeasy[7］。COMPACTapron 是 在2019 年 欧 洲 国际纺织机械展览会（ITMA2019）上作为未来网格圈集聚概念展出，它是立达子公司绪森推出的第二代网格圈集聚解决方案，其采用全新3D 集聚纺技术，巧妙地引导纤维通过集聚区并达到更好的集聚效果[8］。3D 集聚纺纱技术不仅有效提高了纱线强力，而且具有高度的灵活性，能适用于多种机器、不同原料的纺纱，安装和拆卸过程快速便捷；耗能低、使用备件减少、维护成本降低，从而降低运营成本；提升了原料制成率，例如通过降低捻度提升产量、调整混纺比、简化后道工序等方法，提高企业利润。

研发COMPACTapron 的最初目的是改善负压式集聚纺的集聚原理，从而降低能耗。主流的负压式集聚纺技术基本都是2D 集聚方式，即在网格圈、多孔胶圈或多孔吸风鼓等集聚元件表面上实现纤维的集聚。但由于纤维被吸附在集聚元件的表面，纤维实际接触的气流较少，吸附气流无法得到有效利用。COMPACTapron 改变了传统的吸附集聚方式，集聚区两钳口之间的距离极大地减小，当纤维进入集聚区时，纤维始终与网格圈保持一定距离，使纤维最大化暴露在气流中，确保所有纤维都能得到有效集聚，以起到3D 集聚效果，有效提高成纱强力。

根据COMPACTapron 的特点，立达公司进行了系统的专利布局，在纺纱机结构、吸风槽尺寸、连接件的设定等方面做了一系列设计方案，主要特点为：优化的纤维运动轨迹，在胶辊下方距离网格圈一定距离的位置进行集聚；小钳口间距，为12 mm~20 mm[9］；小集聚空间，是由异形吸风管、输出胶辊及罗拉组成的简易空间；短吸风槽长度，槽宽0.3 mm~3.0 mm，槽长小于10 mm，也有资料 显 示 在2.0 mm~5.0 mm[10-11］；优 化 的 连 接 方式，方便异形吸风管的调节安装，以同时保证气流的流畅[12-13］。

2 集聚区结构模拟分析

由于3D 集聚纺技术未广泛应用，无法根据实物建模，故采用图片反推模型的方法，用Solid-Works 软件绘制出集聚区三维模型，并对模型进行部分简化。2D 集聚区的建模参考绪森传统四罗拉网格圈式集聚纺装置，3D 集聚区的建模参考COMPACTapron 集聚纺装置。

2.1 传统2D 集聚区

传统2D 集聚区结构示意如图1 所示，主要由前胶辊、前罗拉、输出胶辊、异形吸风管以及网格圈等组成，异形吸风管上开有一定倾斜角度的吸风槽，网格圈套在异形吸风管上。传动方式是利用前罗拉摩擦带动前胶辊，前胶辊和输出胶辊通过齿轮机构传动，输出胶辊摩擦带动网格圈运动。工作时异形吸风管内产生负压，通过吸风槽、网格圈作用在纤维上，达到集聚纤维的目的；纤维通过前罗拉和前胶辊后进入集聚区，在气流作用下吸附在网格圈上并产生一定的集聚，随着网格圈向输出钳口运动。

图1 2D 集聚区示意图

罗拉直径为27 mm，其他基本结构和具体参数参考宣传图片反向推导，完成模型的建立。推测影响集聚作用的关键指标，2D 集聚区吸风槽的长度约为20 mm，前胶辊到输出胶辊的钳口间距约为32 mm。为方便后续模型的流程分析，吸风槽设置为22 mm×1.2 mm 的直槽。

2.2 新型3D 集聚区结构

新型3D 集聚区结构示意如图2 所示，主要包含输出胶辊、输出罗拉、异形吸风管以及网格圈等，异形吸风管上开有吸风槽，网格圈套在异形吸风管上。3D 集聚区比2D 集聚区少1 个胶辊，输出胶辊的尺寸增大。传动方式是利用输出罗拉摩擦带动输出胶辊，输出胶辊通过摩擦力带动网格圈运动。3D 和2D 集聚区都是通过气流集聚，但由于3D 集聚区的间距较小，纤维处于一定张力作用下，未被吸附在网格圈上，是在网格圈上方一定距离完成集聚，最后通过输出胶辊和网格圈形成的钳口输出。

图2 3D 集聚区示意图

参考COMPACTapron 集聚纺资料及相关专利，进行图片反向推导，建立3D 集聚区流场模型。推测影响集聚作用的几个关键指标，3D 集聚区吸风槽的长度约为5.5 mm，集聚区钳口间距约为13 mm，约为2D 集聚区的2/5。为方便后续模型的流场对比分析，将吸风槽设置为5.5 mm×1.2 mm的直槽。比传统的2D 集聚区集聚槽长度缩短3/4，集聚区的气流作用空间明显减小。

3 流场模拟分析

3.1 集聚区流场模型的建立及参数设定

3.1.1 集聚区流场模型的建立

基于图片模拟出的2D 集聚区和3D 集聚区模型，进行抽取得到2D 和3D 集聚区流场模型，如图3 所示。选取吸风槽前端顶点作为原点，其中X轴与前罗拉轴线重合，右侧为正方向；Y轴与槽口方向重合，槽前向槽后为正方向；Z轴与槽口面垂直，Z轴向上为正方向。

图3 集聚区流场模型示意图

3.1.2 特征线、特征面的建立

为更好地分析对比2D 集聚区和3D 集聚区流场的变化，在两个集聚区的流场模型中分别建立4 个特征面，如图4 所示。特征面1 在槽口的竖直方向的中间位置，正好是YZ平面，简写成z；特征面2、3、4 是垂直于槽口的面，分别对应槽口的前端（集聚快结束）、中间、后端（集聚刚开始），简写为cq、cz、ch。

图4 特征面示意图

为更清晰地观察纤维在集聚时受气流作用的情况，在cq、cz、ch特征面中分别建立如图5 所示的3 条基准线，分别命名为槽前线、槽中线、槽后线，记为cqx、czx、chx，这3 条特征线和X轴平行，高度设定在纤维可能的运动位置点。2D 集聚区的纤维吸附在网格圈上，所以特征线选取在吸风槽略微偏上的位置。3D 集聚区的纤维未吸附到网格圈上，而是贴近输出胶辊，所以特征线选取在距输出胶辊下方一定距离的位置。

图5 特征线示意图

3.1.3 参数的设定

将绘制好的集聚区模型导入ANSYS 软件中进行仿真模拟，网格划分采用六面体网格，对流场面进行定义，如图6 所示，红色面是气流入口，蓝色面设置为墙体，异形吸风管未显示一端设置为气流出口。设定边界条件，气流入口为负压入口，相对压强统一设定成0 kPa；气流出口为负压出口，2D 集聚纺为-2.2 kPa，3D 集聚纺为-1.1 kPa（参考官方资料的能耗设定）。求解模型选择k-epsilon模型，其他参数保持默认，进行数值模拟计算。

图6 面参数设定示意图

3.2 模拟结果分析

2D 集聚区和3D 集聚区都为负压气流作用在纤维上，进而达到纤维集聚的目的。这里主要针对几个特征面和特征线的气流速度以及X、Y、Z轴方向气流速度分量进行模拟并对比分析。模型设计时，考虑消除网格圈和吸风槽的影响进行模型简化，即网格圈未涉及，吸风槽设置成直槽。X轴方向气流分量和罗拉轴线方向相同，主要对纤维产生横向集聚的作用力；Y轴方向气流分量沿着纤维输送方向，对纤维有一定理顺的作用；Z轴方向气流分量同集聚面垂直的方向，对纤维产生向下集聚的力。

3.2.1 集聚区特征面气流计算结果分析

建立4 个特征面的速度云图，为方便对比2D和3D 集聚区的速度差异，单位均设定为m/s；云图气流速度梯度设置保持一致，均设置为5 m/s；云图中由冷色调蓝色到暖色调红色的过程为速度逐渐增大。2D 和3D 集聚区特征面2、特征面3、特征面4 的宽度均为20 mm，基本按槽口对称分布。

特征面1 的速度云图如图7 所示。速度云图中2D 集聚区的最大速度在60 m/s~65 m/s，3D集聚区的最大速度在45 m/s~50 m/s，最大速度均集中在吸风槽的前后两端。吸风槽上方的表面速度云图颜色接近，2D 速度更高。可以看出，2D集聚区的气流速度明显比3D 集聚区大，推测主要原因之一是3D 集聚区的负压减小了一半。但在集聚区中的流速接近，推测主要原因是3D 集聚区整体面积比2D 集聚区减小，而且入口变小。

图7 特征面1 速度云图

特征面2 的速度云图如图8 所示，其为吸风槽前端的断面速度云图。2D 和3D 集聚区最大速度约45 m/s~50 m/s，在吸风槽位置，2D 集聚区的较大气流更加集中，3D 的吸风槽长度较短，选取的前端位置更靠近钳口，而钳口会对气流产生一定干扰。在吸风槽上方的速度云图显示，2D 集聚区相比3D 集聚区的气流具有更宽的作用区域。在异形吸风管内2D 集聚区相比3D 集聚区气流作用区域更大，对气流的利用率更低。

图8 特征面2 速度云图

特征面3 的速度云图如图9 所示，其为吸风槽中间的断面速度云图。2D 和3D 集聚区吸风槽中间的速度云图和吸风槽前端相似。吸风槽上方的气流云图发生了较大变化，由于2D 集聚区上方还有一个气流入口，导致高速区域集中到槽口位置，远离槽口位置速度降低明显。3D 集聚区吸风槽中间断面位置距离钳口一定距离，减少了钳口区域的干扰，上方集聚空间依然很小，此时的气流作用区域明显增大，吸风槽两侧空间气流速度降低较小，保证了较大的气流作用范围。

图9 特征面3 速度云图

特征面4 处的速度云图如图10 所示，其为吸风槽后端的断面速度云图。2D 集聚区在吸风槽口区域的气流明显增大，但是集聚槽上方的气流速度只是集中在集聚槽中间位置，集聚槽中间断面的气流特点相似。3D 集聚区吸风槽口处的气流和集聚槽中间断面处相似，上方的集聚空间虽然有所增加，但是整个上方空间的气流作用依然平稳，吸风槽两侧空间气流速度降低较小。

通过几个特征面气流的对比，由于3D 集聚区出口的负压气流设定较低，2D 集聚区的整体气流速度要大于3D 集聚区，在吸风槽中的流速较大，但是在吸风槽上方两侧的气流速度降低较为明显，无法有效利用集聚区两侧入口气流。3D 集聚区由于集聚空间上方没有气流入口，并且空间较小，吸风槽两端的气流速度降低不明显。

3.2.2 集聚区特征线气流计算结果分析

建立3 个特征线上的X、Y、Z轴方向速度分量对比图，cqx、czx、chx位置设定时考虑在纤维可能运动的轨迹点，以便分析不同方向气流可能产生的作用效果。2D 集聚区的纤维由于吸附在网格圈上，这时Z轴方向作用力有助于纤维竖直方向的运动，但是不利于横向运动；3D 集聚区的纤维由于处于钳口之间，集聚空间比较小，纤维基本成张紧状态，不与网格圈接触，不会受到网格圈摩擦力的影响，气流的直接作用效果更强。

集聚区X轴方向速度分量对比如图11 所示，该速度分量主要起到纤维横向集聚的作用。2D集聚区的cqx、czx、chx位置的X轴方向速度分量曲线相似，都是在吸风槽附近时速度达到最大值，远离吸风槽速度逐渐降低，在吸风槽中间位置速度为0 m/s；其中槽前位置的速度整体高于槽中和槽后位置，由于槽前区域的吸风槽上方集聚空间较为狭窄，可以产生更大的X轴速度分量。3D集聚区的cqx、czx、chx位置的X轴速度分量曲线差异较大，cqx距离钳口位置接近，基本贴附在网格圈上，所以与2D 集聚区的速度曲线基本相似。但远离槽口位置的流速降低较快，czx和chx的曲线更加平缓，这两条线的位置距离吸风槽口一定距离，贴近输出胶辊，速度约为5 m/s，吸风槽口附近的气流速度低于2D 集聚区，推测主要原因是纤维距离吸风槽口距离增加造成。

集聚区Y轴方向速度分量对比如图12 所示，Y轴方向的速度分量是沿着纤维运动方向，在一定程度上可以达到一定的梳理顺直的效果，利于纤维输送。2D 集聚区的cqx、chx的Y轴方向速度分量曲线相似，槽口附近速度快，槽口远端速度慢；czx由于其上方对应有另外一个气流入口，此时该速度槽口附近的速度明显降低，速度曲线槽口附近和远端Y轴速度分量接近。3D 集聚区cqx、czx、chx的Y轴速度分量曲线相似，槽口附近速度大，远端逐渐减小，受到集聚空间的影响，速度由大到小为吸风槽前端、中间、后端，在槽口附近有较为平稳的Y轴速度分量的气流作用。

图12 Y 轴速度分量对比

集聚区Z轴方向速度分量对比如图13 所示，Z轴方向的速度分量是沿着纤维厚度方向，在2D集聚纺中的作用更加偏向于纤维的吸附，阻止纤维四散，增强聚集效果。在3D 集聚纺中的作用更加偏向形成一定的张力集聚作用。2D 集聚区的cqx、czx、chx的Z轴速度分量曲线规律基本一致，吸风槽中间位置速度最大，吸风槽附近有较大的速度，远离吸风槽范围速度明显降低。其中czx上方有气流入口，更加有利于Z轴速度分量的提高，其槽中心的速度比cqx和chx槽中心速度大，接近大1/3。3D 集聚区由于cqx、czx、chx的位置相对更加靠近输出胶辊，Z轴速度分量整体明显要比2D 集聚区的速度要小，特别是czx和chx在槽口位置的速度差异较大，槽口附近的速度降低明显，不到cqx位置的1/3。

图13 Z 轴速度分量对比

通过几个特征线上不同方向速度分量的对比，从整体流速上看，2D 集聚区的X轴、Z轴速度分量在吸风槽周边的速度明显要高于3D 集聚区，3D 聚集区的X轴速度分量在czx、chx位置速度较为平稳，没有较大变化。2D 集聚区的Y轴速度分量受到集聚区入口的影响，在槽前和槽中位置不如3D 集聚区的速度，特别是在槽中时，Y轴速度分量接近0 m/s。通过流场分析，3D 集聚区的速度分量并不高，不过气流速度相对平稳，其中Y轴的气流速度分量相比2D 集聚的速度分量更加统一，推测这是导致3D 集聚纺强力高的原因之一。

4 结论

结合官方介绍资料，基于计算机仿真模拟技术，对2D 集聚装置和3D 集聚装置结构进行建模，对比主要机构的结构差异，通过流场模拟分析集聚区内部流场的速度分布，得出以下结论。

（1）3D 集聚装置与2D 集聚装置相比结构明显简化，其将2D 集聚装置的前胶辊和输出胶辊组合简化成一个超大的输出胶辊，可降低损耗、减少维护保养成本。

（2）3D 集聚区钳口间距较短，吸风槽产生的集聚力不能将纤维吸附到网格圈表面，而是形成张紧状态，这改变了传统2D 集聚区集聚纤维的运输方式。

（3）3D 集聚区集聚空间明显缩小，钳口间距约为2D 集聚区的2/5，上方不再有气流入口，集聚槽的长度明显缩小，约为2D 集聚区吸风槽的1/4，极大地减少了气流的作用空间。

（4）流场模拟结果中，3D 集聚区在负压降低50%的条件下，整体流速相比2D 集聚区有所降低，但气流速度更加一致。在纤维的可能集聚位置，X轴速度分量降低，但较为平稳，Y轴速度分量相对一致并保持稳定，Z轴速度分量降低明显。

（5）3D 集聚装置可以实现低能耗、高强力，推测主要是因为须条在一定张力条件下为三维集聚，并采用优化的集聚空间，使气流利用率有效提高。3D 集聚装置的设计思路为集聚纺系统提供了新的可能，有待进一步探索。由于模型绘制采用图片反向推导的方式，部分数据不够精准，后续可配合实物进行细化试验。