（纺织工程专业论文）纤维在喷嘴高速气流场中运动的研究和应用.pdf

摘要 气流在纺织领域的应用非常广泛，而高速气流的应用更是为许多新： 艺的 产生奠定了基础。但是，气流技术在纺织领域的应用还缺乏基础研究。本文的 研究工作是以纺织设备中形成高速气流场的机件一喷嘴为研究对象，研究纤维 在喷嘴高速气流场中的运动及纤维和气流的相互作用，在理论上阐明纤维在气 流场中运动的规律，对如何在纺织加工中合理有效地利用气流技术生产出质量 好、成本低的产品以及利用气流技术发展新工艺、新方法提供理论基础。 本文采用数值模拟的方法进行纤维气流两相流的研究。由于拉格朗日方 法在模拟颗粒运动轨迹方面的优势，本文采用拉格朗日方法实现纤维运动的模 拟。为了简化研究手段，在研究中作了一定的简化假设：( 1 ) 由于纤维的质量 流量较小，本文只研究单向耦合问题，即忽略纤维对流场的反作用；( 2 ) 忽略 湍流脉动对纤维的作用：( 3 ) 不考虑纤维一纤维以及纤维一壁面之间的作用； ( 4 ) 不考虑热交换。这样，气流场的运动可以独立地计算，在此基础上计算 纤维的运动。 本文的研究工作覆盖了两大部分：一是对高速气流场及纤维在气流场中的 运动进行数值模拟；二是对理论研究结果进行分析和应用。 第一部分的研究工作是本文的重点，涵盖了论文的第三、四两章，包括纤 维气流两相流数学模型的建立、喷嘴中高速气流场的数值模拟以及纤维在喷嘴 气流场中运动的模拟等内容。 根据所提出的研究方法，在第三章首先对纤维气流两相流模型中的流体 相进行计算，采用有限容积法对喷嘴中的高速气流场进行数值模拟。数值模拟 结果揭示了喷嘴中气流场的速度分布和压力分布等流动特征，通过c f d ( 计算 流体力学) 软件获得的喷嘴中流场速度矢量图、流线图等更加直观地展示了喷 嘴中的气流流动特征。数值模拟结果与l d a ( 激光多普勒测速仪) 的测试结果 吻合很好，并且证实了以前学者通过理论分析得到的一些推测性结论。同时， 通过数值模拟研究了喷嘴压力、喷孔倾角、喷孔位置和纱道直径等喷嘴参数对 喷嘴中气流流动特征的影响。研究发现喷嘴压力和喷孔倾角的影响比较显著， 随着喷嘴压力的增大，气流轴向和切向速度增大，但喷嘴入口区的负压和轴向 速度随着喷嘴压力的增大而减小；随着喷孔倾角的增大，气流切向速度增大， 而喷孔倾角对气流轴向速度的影响比较复杂，喷孔倾角对喷嘴入口区的负压和 轴向速度影响很大，随着喷孔倾角的增大，喷嘴入口区的负压和轴向速度显著 减小，且喷嘴中形成的回流强度和面积增大，当喷孔倾角达到8 0 。时，在喷孔 的上方和下方都有回流产生。喷孔位置对喷嘴中气流场的速度、压力分布规律 几乎不产生影响，只是随着位置的改变，速度和压力值发生变化的位置相应改 变。纱道直径也对喷嘴中气流的速度、压力及其分布产生影响。 论文第四章首先提出了描述纤维的方法一纤维模型，对纤维模型在气流场 中进行动力学分析，在此基础上建立纤维气流两相流数学模型。根据气流场的 数值模拟结果，求解纤维运动方程，从而对纤维在气流场中的运动轨迹进行追 踪。采用高速摄影技术进行实验验证，纤维运动的模拟结果与高速摄影图像吻 合较好。同时，通过模拟也展现了喷嘴参数和纤维性能参数如喷嘴压力、喷孔 倾角和纤维抗弯刚度等对纤维在喷嘴气流场中运动状况的影响，而初始包缠角 的引入可以定量地说明参数对纤维在喷嘴中包缠程度的影响。研究结果说明了 随着喷嘴压力和喷孔倾角的增大，纤维在喷嘴中的初始包缠程度增大，而纤维 抗弯刚度对纤维在喷嘴中的初始包缠程度影响不大，一个有趣的现象是抗弯刚 度较大的纤维完成初始包缠过程的时间要短于抗弯刚度较小的纤维。 本文第二部分的工作是根据理论研究的结果，在以下三方面加以应用： ( 1 ) 喷气纺纱的参数优化设计，包括工艺参数、喷嘴结构参数和纤维参 数a 与理论研究相对应，选择了三个重要的参数进行设计：喷嘴压力、喷孔倾 角和纤维抗弯刚度，得出第一喷嘴压力不需要超过3 o x l 0 5p a ，第一喷嘴喷孔 倾角的最优范围为4 5 。5 5 。，而抗弯刚度较大的纤维似乎能更快地完成初始包 缠过程。分析的结果与本文中的以及以前学者的实验研究进行了比较。 ( 2 ) 喷气纱强力的预测，用数值模拟的方法和人工神经网络模型对喷气 纱的强力进行预测。数值模拟只能做定性的预测，但使我们能清楚地了解加工 过程以及参数影响纱线拉伸性能的物理意义；而人工神经网络模型能对喷气纱 2 的强力做比较精确的定量预测。采用多层感知器网络结构和 l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法建立神经网络模型，建立喷气纱强力与第一喷嘴压 力、第二喷嘴压力、纺纱速度、前罗拉钳口到第一喷嘴的距离以及第一喷嘴中 的喷孔位置等五个工艺和喷嘴结构参数之间的关系。 ( 3 ) 利用喷嘴减少毛羽，包括应用于细纱工序的j e t r i n g 工艺和应用于络 筒工序的j e t w i n d 工艺。理论分析阐明了利用喷嘴减少毛羽的机理。用理论分 析和实验的方法研究了喷嘴压力、喷孔倾角对j e t r i n g 纱和j e t w i n d 纱上毛羽 的影响。 综上所述，本文建立了纤维气流两相流模型，采用数值模拟的方法对喷 嘴气流场以及纤维在气流场中的运动进行研究，对纺织加工中应用气流的技术 有一定的理论指导意义。同时，本研究也丰富了气体颗粒两相流的内容。 关键词：纤维，气流，两相流，数值模拟，喷嘴 s t u d y o nf i b e rm o t i o ni nh i g hs p e e d a i r f l o w w i t h i nt h en o z z l ea n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t a i ri sb e i n gu s e di nt h ep r o c e s s i n go ff i b e r si n t ot e x t i l ep r o d u c t s h i g hs p e e da i rf l o w f o r m st h eb a s i so fm a n yn e w p r o c e s s e s b u tl i t t l eh a sb e e nd o n e o nt h ef u n d a m e n t a la n d t h e o r e t i c a l s t u d yo fa i ra p p l i c a t i o ni n t e x t i l ea r e a t h et h e s i si s t o d e v e l o p ab e t t e r u n d e r s t a n d i n gi n t o f i b e r a i ri n t e r a c t i o n s ，a n dt o g u i d et h ea p p l i c a t i o n o fa i ri nt e x t i l e p r o c e s s e s t oa t t a i nt h ep u r p o s e ，t h en o z z l e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt e x t i l em a c h i n e ，i s s t u d i e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt o s t u d y f i b e r a i r t w o p h a s ef l o w , a n d t h e l a g r a n g i a n a p p r o a c hi sa d o p t e d b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e si ns i m u l a t i o n an u m b e ro f a s s u m p t i o n s a r e p r e s e n t e df o rs i m p l i f i c a t i o n ：( 1 ) o n l yt h eo n e w a yc o u p l i n gc a s ei sc o n c e r n e d ；( 2 ) t h e a c t i o no ft u r b u l e n c ep u l s a t i o nt ot h ef i b e ri s n e g l e c t e d ；( 3 ) f i b e r f i b e r a n df i b e r w a l l i n t e r a c t i o n sa r en e g l e c t e d ；a n d ( 4 ) a i rf l o wi si s e n t r o p i c t h ew o r ko ft h et h e s i sc o v e r st w op a r t s t h ef i r s tp a r ti st h e o r e t i c a ls t u d y , w h i c hi st h e e m p h a s i so f o u r w o r k ，i n c l u d i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h i g hs p e e da i rf l o wi nt h en o z z l e ， a n dt h es i m u l a t i o no ff i b e rm o t i o ni nt h ea i rf l o wo ft h en o z z l e t h es e c o n dp a r ti st h e a p p l i c a t i o no f t h e t h e o r e t i c a ls t u a y a c c o r d i n gt o t h em e t h o dt o s t u d yf i b e r a i rt w o p h a s ef l o wp r e s e n t e di nc h a p t e r2 ，t h e m o t i o no ft h ea i rp h a s ei sc a l c u l a t e df i r s t t h e r e f o r e ，i nc h a p t e r3 ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ea i rf l o wi nt h en o z z l ei sp e r f o r m e d ，u s i n gf i n i t ev o l u m em e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 4 s h o wt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h en o z z l e ，f e t h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y f i e l da n d p r e s s u r ef i e l d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ep r e v i o u sw o r k i nl d a ( 1 a s e r d o p p l e ra n e m o m e t r y ) m e a s u r e m e n t s ，a n d v e r i f i e se a r l i e r r e s e a r c h e r s s p e c u l a t i v e p l a u s i b i l i t y t h e e f f e c t so fp a r a m e t e r si n c l u d i n gn o z z l ep r e s s u r e ，j e to r i f i c ea n g l e ，j e t o r i f i c ep o s i t i o na n dt w i s t i n gc h a m b e rd i a m e t e ro ns l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h en o z z l ea r e s t u d i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t so f n o z z l ep r e s s u r ea n d j e to r i f i c ea n g l e a r es i g n i f i c a n t ，w h i l ej e to r i f i c ep o s i t i o nh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o nl a wo f t h e v e l o c i t y a n dp r e s s u r ei n t h e n o z z l e t w i s t i n gc h a m b e rd i a m e t e r i n f l u e n c et h ef l o w c h a r a c t e r j i s t i e st oac c l l a i ne x t e n t i nc h a p t e r4 ，b yp r o p o s i n gaf i b e rm o d e l ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f 矗b 利a i rt w o p h a s e f l o wi sd e v e l o p e d o nt h eb a s i so ft h en u m e r i c a lr e s u l t so ft h ea i rf l o w ，t h ef i b e rm o t i o ni n t h en o z z l ei sc a l c u l a t e d t h ei m a g e so ft h ef i b e rm o t i o ni nt h en o z z l ea r ec a p t u r e du s i n g 1 1 i g h s p e e dp h o t o g r a p h y r e s u l t s o f e x p e r i m e n t s a n ds i m u l a t i o ns h o wc o n s i d e r a b l e a c c o r d a n c e m e a n w h i l e ，t h e e f f e c t so fn o z z l ea n df i b e r p a r a m e t e r si n c l u d i n g n o z z l e p r e s s u r e ，j e to r i f i c ea n g l ea n df i b e rf l e x u r a lr i g i d i t yo nt h ef i b e rm o t i o na r es t u d i e d b y i n t r o d u c i n g i n i t i a l w r a p p i n ga n g l e ，t h ew r a p p i n gd e g r e e o ft h ef i b e ri si n d i c a t e d q u a n t i t a t i v e l y t h ea p p l i c a t i o no f t h et h e o r e t i c a ls t u d ya r ef o c u s e so nt h ef o l l o w i n gt h r e es u b j e c t s ：( 1 ) t h e o p t i m i z a t i o no f t h ep a r a m e t e r si na i r q e ts p i n n i n g ，s u c ha sn o z z l ep r e s s u r e ，j e to r i f i c ea n g l e a n df i b e rf l e x u r a lr i g i d i t y ；( 2 ) p r e d i c t i o n so f t h et e n a c i t yo f a i r - j e ts p u ny a r n s ；( 3 ) r e d u c i n g y a m h a i r i n e s sw i t h j e t r i n g a n dj e t w i n d p r o c e s s e s i ns n n l n l a r y , a st h ef i b e r a i rt w o - p h a s ef l o wm o d e li sd e v e l o p e d ，t h es i m u l a t i o no f t h ef i b e r m o t i o ni nt h ea i rf l o ww i t h i nt h en o z z l ei sp e r f o r m e d m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e l l i g hs p e e da i rf l o wi nt h en o z z l ea r es h o w nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h es t u d yo ft h e t h e s i sd e v e l o p sac l e a r e ru n d e r s t a n d i n go nf i b e r a i ri n t e r a c t i o n s ，a n dp r o v i d e sn e wc o n t e n t s 5 t ot h ea r e ao f a i r p a r t i c l et w o - p h a s ef l o w y o n g c h u nz e n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n 西 s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rc h o n g w e ny u k e yw o r d ：f i b e r , a i r , t w o p h a s ef l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n o z z l e 6 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、言，屯春 日期：2 0 0 3 年1 0 月3 0 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密囹。 学位论文作者签名：胃，椿 指导教师签名：乙荔旁 日期：2 0 0 3 年1 0 月3 0 日 日期： 2 0 0 3 年1 0 月3 0 日 曾泳春东华大学博士学位论文2 0 0 3 年 1 1 研究背景和意义 第一章引言 气流在纺织领域的应用非常广泛，贯穿于从纤维和纱线形成纺织品的工艺 过程中，包括纤维挤压成型工艺、纺纱前准备工艺、纺纱工艺、纤维变形工艺、 织造工艺以及辅助工艺如除尘、冷却等。而高速气流的应用更是为许多新工艺 的产生奠定了基础，这些新工艺包括： ( 1 ) 转杯纺、喷气纺、涡流纺、摩擦纺和集聚纺等新型纺纱工艺： ( 2 ) 空气捻接和空气变形工艺； ( 3 ) 熔喷和空气成网非织造工艺； ( 4 ) 喷气织造工艺； ( 5 ) 先进的纤维纱线检测仪器。 利用高速气流的速度和能量，可以实现成纱的四个基本过程一分离、牵伸 凝聚和加捻，这在缩短加工流程、降低生产成本方面有着不可估量的前景，因 此受到国内外学者的关注，还有基于气流技术的新型梳理一纺纱系统的研究， 都是目前国际上的研究热点。 气流技术的应用在加工速度、生产成本和环境保护等方面的优势为纺织工 业带来了经济和技术上的飞跃。但是，国内外对气流尤其是高速气流在纺织领 域的应用技术还缺乏基础研究，对许多应用高速气流产生的新技术的机理和过 程，如第五章中将会讨论的j e t r i n g 和j e t w i n d 减少纱线毛羽的机理等，至今 还不甚清楚。这些原因造成了利用气流技术生产的产品比传统方法生产的产品 质量低、生产产品的局限性大的局面，而且削弱了利用气流技术本应具有的优 势。例如在喷气纺纱中，如果不能有效地应用气流，将大大提高生产成本。 本文就是在这样的研究背景下建立的。喷嘴是纺织设备中形成高速气流场 的机件，在喷气纺纱、喷气涡流纺纱、空气变形、空气捻接以及空气成网等工 艺中都运用了喷嘴。本文以喷嘴为研究对象，研究纤维在喷嘴高速气流场中的 曾泳春东华大学博士学位论文2 0 0 3 年 第一章引言 运动以及纤维和气流的相互作用。 1 2 文献综述 1 2 1纤维在流场中运动的理论研究 与一般球形颗粒相比，纤维具有特殊的物理特征：长径比大，有弹性和柔 性。因此，描述纤维的方法一纤维模型的准确性就显得尤为重要。在2 0 世纪 6 0 、7 0 年代的文献中，纤维模型比较简单，一般以一个质点或一根刚性圆柱杆 作为单纤维模型。 f e l d m a n 1 】以质点( p a r t i c l e ) 为纤维模型，建立纤维在气流场中的运动方程， 通过对方程进行积分得到纤维质点的运动轨迹，在运动方程中只考虑了低 r e y n o l d s 数气流场对纤维质点的阻力。f e l d m a n 用这个方法研究了纤维在二维 非均匀流场中的运动轨迹。 b a n g e r t 和s a g d e o 2 以刚性圆柱体( r i g i dc y l i n d e r ) 为纤维模型，建立纤维 质心的平动和转动方程。空气对纤维的阻力沿圆柱体的切向和法向方向分解， 在整根圆柱的长度上积分后，合成为作用在纤维质心的合力与合力矩。运用这 个纤维运动模型，b a n g e r t 和s a g d e o 对纤维在流场力作用下的运动和取向进行 了研究。 显然，质点和刚性圆柱体都不能体现纤维的弹性柔性特征。由于纤维模型 过于简单，他们的研究有很大的局限性。 2 0 世纪8 0 年代后期，国内学者在建立纤维模型方面作了不少工作，促进 了这一领域理论研究的进步和发展。程悌吾口，4 ，5 】以一系列多球链模型描述单纤 维，试图探讨纤维在流场中的悬浮动力学。其多球链纤维模型是这样发展的： ( 1 ) 多球链模型：由n 个大小相同的均质球组成，总长为三，每个球的 质量为m 。，每两个相邻球之间是刚性连接，连杆长为，其质量与截面积均不 计。要它作为纤维的力学模型，其与纤维之间的质量、转动惯量必须分别相等， 则m p ：一m ，f _ 掣h ：尘! j ，o 式中，m 是纤维的总质量，z ，是纤维的总 n2 1 n + 1 。 一 曾泳春东华大学博士学位论文2 0 0 3 年 长。球链上的球受重力、流体的s t o k e s 阻力及浮力的作用，多球链纤维的动量 方程和动量矩方程为： 警川_ w 峨i 。1 - p p - - - 。- ) g k m 1 ) 云 ，扣r 一( 。i t o i ) l s 】_ 2 ， f ( 一“一k ) 一( _ m 一_ ) 】+ e “r + f i + l , i + 2 ) 0 - 2 ) 式中k 。是球心的速度，以是与球心重叠的那点流体的速度，p 、p p 分别为流体、 纤维的密度，f 为流体作用在球上的s t o k e s 阻力，f f - 1 f 为球i 对球f + 1 的作用 力，f ，为链段长度矢量，c o ，为链段的瞬时角速度。 ( 2 ) 卷簧链模型：由n 个大小相同的均质球组成，总长为工，每个球的 质量均为m 。除首尾两个球外，其它各球内均含有一对强度相等的对称的卷 簧，球与球之间由刚性连杆连接，并且都在同一平面内。连杆长为，其与卷 簧的质量和截面都不计。卷簧相对于球的单位质量的恢复力矩m 等于纤维在 该点的单位质量恢复弯矩。假设纤维小变形并满足虎克定律，可得 m = 一c o ( 1 3 ) 式中c = 2 e i i m ；，e 为纤维的弹性模量，为惯性矩，口为纤维弯曲的角度。 由于球i 内的一对卷簧强度相等且相互对称，则由这一对卷簧分别产生的 两个恢复力偶可以分别用大小相等、方向相反并不在同一直线上的两个力表 示。这样，就得到了与双卷簧链等效的多球链，可以建立与多球链等效的动量 方程和动量矩方程。 根据以上建立的模型，程悌吾研究了纤维在不可压缩粘性流体中运动形态 的判别。 ( 3 ) 粘弹性铰接多球链模型；在双卷簧链的基础上增加阻尼器，即球内 含有两组相互对称、强度相等的卷簧和阻尼器的任意组合，作为粘弹性纤维的 模型。应用这个模型，程悌吾从运动学角度讨论纤维的运动与变形，从动力学 角度探讨纤维在均匀变形流场中的悬浮运动，并求得其平均取向的角速度和纤 维变形角变化率，为研究粘弹性纤维悬浮体中纤维的取向分布等问题提供了必 要的基础。 曾泳春东华大学博士学位论文2 0 0 3 年第一幸引言 程悌吾建立的纤维模型应该说比较完整地考虑了纤维的物理特征，但在实 际纺织加工中，纤维的粘弹性并不是主要的物理特征，却使纤维模型变得过于 复杂，由于运动自由度的增加，研究的难度大大增加。因此，程悌吾只是应用 这些模型对纤维在流场中可能的运动形态进行判别，还没有找出纤维在流场中 的运动规律。 范辰五和程悌吾 6 i 以简单的双球链( 柔性连接的两个圆球) 为纤维模型， 对气体纤维两维定常粘性流动进行了计算，并研究了纤维对气流场的影响。他 们计算得出的结果说明了在纤维质量流量较小( 如2 ) 的情况下，纤维对流 场的影响不太明显，如果只要研究纤维的运动情况，可以忽略纤维对流场的干 扰。 进入2 0 世纪9 0 年代，国内外学者在纤维模型和数值模拟方面继续探索， 对这一领域进行了更深入的理论研究。 y a m a m o t o 和m a t s u o k a 7 1 提出一个模拟纤维刚性和柔性特征的方法，对纤 维在流场中的运动行为进行数值模拟。他们提出的纤维模型类似于聚合物动力 学中大分子的珠一簧链模型，纤维被看成由个半径为a 的球( s p h e r e ) 相互 连接组成，代表一根长度为2 a n ，直径为2 a ，长径比为的圆柱杆( c y l i n d r i c a l r o d ) 。通过改变连接距离、连接角度和扭转角度，每一对相互连接的球可以伸 长、弯曲和扭转。纤维模型的柔性由三个连接参数定义：拉伸常数以、弯曲常 数和扭转常数岛。 ( 1 ) k ，= z r a e ，其中e 为弹性模量。如果一对连接球之间的距离由平衡 二 时的r o 被拉伸到r ( r r o = 2 a ) ，则作用在每个球上的拉伸回复力为 f 。= 一t ( ，一，。)( 1 4 ) ( 2 ) o b o = 0 ) 七矗= 等e 。如果一对连接球的连接角度由平衡时的曰6 。变为如( 如 则作用在每个球上的弯曲力矩为 丁6 = 一k b ( o b 一见o ) ( 1 5 ) 4 曾淋春东华大学博士学位论文2 0 0 3 年 第一章引言 ( 3 ) k ：竺g ，其中g 为剪切模量。如果一对连接球的扭转角度由平衡 4 时的0 ，o 变为0 。( 0 ， 0 ，o = 0 ) ，则作用在每个球上的弯曲力矩为 t = 一k l ( q 一只。) ( 1 6 ) 定义了以上三个连接参数后，纤维的刚性和柔性可以通过改变这三个连接 参数来表达，连接参数越大，则纤维刚性越大，连接参数越小，纤维的柔性越 大。如果给出较小的以和较大的k 6 ，则纤维易于拉伸而不容易弯曲。 纤维在流场中的运动是通过求解每个球在流场力和力矩作用下的平动方 程和转动方程来获得的。球i 的运动方程为： 聊争= f + + f f ( 1 - 7 ) 争= 聃和厶x a n 0 + 霉 m 8 ) 其中m 为球的质量，r i 和0 f 为球i 的位置和角度；f i 5 、t i 6 和乃分别为作用在 球i 上的拉伸力、弯曲力矩和扭转力矩；，f 6 和乃6 为作用在球i 上的流场力和 力矩； 是相邻球之间的切向摩擦力；方程中的求和项考虑了所有与球i 相邻 的球形成的力。 y a m a m o t o 和m a t s u o k a 采用有限差分法求解纤维运动方程，对不同刚度的 纤维在简单剪切流中的转动进行模拟，模拟结果与实验结果吻合。但是，他们 的纤维模型在计算中存在着问题：由于纤维的长径比很大，如棉纤维直径在1 0 2 m m 数量级，而长度达1 0 m m 数量级，长径比大于1 0 0 0 ，在模型中表现为一根 纤维由1 0 0 0 个以上的球组成，丽他们以1 0 个球的计算结果来表示纤维在流场 中的运动状况，显然是不合适的。如果加大球的数量，那么将大大增加计算量。 s m i t h 和r o b e r t s t 8 1 假设纤维由一系列球形单元( s p h e r i c a le l e m e n t ) 组成， 纤维运动轨迹作为时间t 和纤维沿长度的初始位置j 的函数，由六个方程决定： ，戚= o h 西+ d 。+ m g ；( 1 9 ) m p = a 矿a f + d y + 埘苫y( 1 1 0 ) 曹泳春东华太学博士学位论文2 0 0 3 年 第一章引言 o m o s + v c o s 0 一日s i n 0 = 0( 1 - 1 1 ) m = b o ( o 一0 0 i o s ( 1 1 2 ) 氟o s = c o s 0( 1 1 3 ) 砂o s = s i n 0( 1 - 1 4 ) 其中m 为单位长度的质量，x 、y 为纤维单元的坐标，日和矿分别为作用在纤 维单元的水平和垂直方向的力，吖为纤维单元受到的来自单元右边部分的力 矩，0 为纤维单元与x 轴的夹角，d ，和d ，为单位长度所受的流场力，b 为刚 度系数。 他们采用有限差分法求解纤维运动方程，对纤维在加速层流气流场中的运 动进行数值模拟，说明了带有卷曲和弯勾的纤维在加速流场中能被伸直。该研 究的新颖性在于纤维模型中引入了体现纤维柔性的刚度系数，但是没有体现纤 维的弹性伸长。 k o n g 在他的博士论文里研究了纤维在有限管道内的气力输送问题。他和 p l a t f o o t 9 1 采用商业c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件和辅助程序，模 拟了纤维在转杯纺输棉管内的运动。他们同样是通过求解纤维的运动方程来获 得纤维的运动轨迹。在纤维输送模型中，纤维由不计质量的柔性链( c h a i n ) 连 接的分散分布的节点( n o d e ) 组成，对节点i 建立的运动方程为： 川t 且f = f k 。+ 只_ 1 rc o s o e h f + e ”lc o s a “十1( 1 - 1 5 ) m g z t 伊= f 匆+ 巧_ l i s i n a h + e ，件1s i n a “+ l m f g + f ( 1 1 6 ) 其中7 即是节点i 的质量，a 为链段的倾角，如为空气阻力，r - 1 。和f i , l + l 为相 邻节点对节点i 的作用力，m i g 和助，分别为重力和浮力。 k o n g 和p l a t f o o t 将模型应用于转杯纺输棉管的气流场中，研究纤维在转杯 纺输棉管中的伸直和弯曲。相比于前面学者的研究，他们在气流场的数值模拟 方面有了很大的突破。以往的研究大都是考虑低r e y n o l d s 数的流场，或者即使 是高r e y n o l d s 数的流场，也作了层流的假设。k o n g 和p l a t f o o t 将转杯纺输棉 管中的气流场作为研究对象，并用湍流模式进行数值计算，比较真实地反映了 曾泳春东华大学博士学位论文2 0 03 年 第一章引言 纺织加工中的实际气流场。但是，他们的纤维模型还存在着局限性，没有体现 纤维的弹性。 我国的研究者朱泽飞和林建忠0 1 通过理论分析、数值计算和实验研究，全 面分析了纤维状粒子在气流场中受到的各种力，包括s t o k e s 阻力、附加质量力、 b a s s e t 力、s a f f m a n 力、m a g n u s 力、压力梯度力及其力矩。在此基础上建立粒 子的动力学方程，包括平移运动方程和转动运动方程： m ，x = f “+ f m + fb + f s + f m + f p t 1 、1 、 ，p 百= o 1 3 9 1 臼2 + ( 一o0 0 5 7 西2 + o - 4 2 8 6 中一7 - 4 2 8 6 ) 口 f 1 - 18 1 + ( 一0 0 0 1 4 2 一o 0 9 2 9 + 1 3 1 4 1 9 ) 式中x ，口为粒子的位置和角度，m 。为粒子质量，厶为粒子绕中心的转动惯量， = l 2 a ，f 8 分别为粒子长度和半径：平动方程右端各项为上述各力张量，是 通过理论分析和数值计算得到的；转动方程右端各项为粒子受到的力矩，是通 过实验得到的。 朱泽飞和林建忠的研究为纤维状粒子悬浮流的运动特性研究打下了一定 的基础。但是，由于纤维被视为刚性粒子，无法模拟纤维在实际加工中所受的 拉伸、弯曲等行为。 1 2 2 纤维在气流场中运动的实验研究 在气流纤维两相流动的实验研究中，广泛采用的技术有高速摄影和高速摄 像技术、红外摄影技术、激光多普勒测速仪( l d a ) 等。 b a n g e r t 和s a g d e o 【2 】为了验证他们的理论分析，用带有放大镜头的普通的 n i k o n 相机，采用4 1 0 0 闪分的频闪光源来捕捉与气流方向形成不同初始角度 的纤维在气流作用下的运动状态。l a w r e n c e 和c h e n 1 1 】运用速度为1 0 0 0 0 幅 秒和聚焦照明为7 5k w 的高速摄影技术研究了转杯纺中各种形状的纤维从开 松罗拉针布进入纤维输送管以及在输送管内的运动状态，从而对纤维输送管进 行优化设计。l u n e n s c h l o s s 12 】等运用红外摄影技术观察了转杯纺中纤维在输送 管内的流动和取向。w a n g ”1 等在他们的新型梳理一纺纱系统的研究中，采用 曾泳春东华犬学博士学位论文2 0 0 3 年 第一章 l 言 高速摄影技术分析了梳棉机中纤维粒子与气流的相互作用。 在采用激光多普勒测速技术方面，e k ，r 等1 4 1 测量了纤维，空气稀悬浮体中 的局部速度和浓度；h o w a l d t 和y o g a n a t h a n 1 5 1 研究了纤维集合体中流体输送的 特征；b a u e r l l 6 】 艮导说在一个简化的转杯纺输送管模型中，分别测出了气流和 纤维的速度。 b r a g g 和s h o f n e r 1 7 1 采用光束扫描方法得到纤维在气流场中的速度以及通 过流场的时间。朱泽飞和林建忠”1 将纤维粒子模型置于风洞中，并通过传感器 与测力机构( 三分力天平) 连接，得到一定速度和压力下气流场中纤维受到的 力和力矩。 1 2 3已有的研究成果及存在的问题 ( 1 ) 纤维模型从单个质点发展到类似高分子的链状模型，越来越接近纤维 的实际物理特征。模型若过分简单，会使结果严重失真，研究变得毫无意义。 模型要接近实际，但是模型并不是越复杂越好，纤维的运动自由度越多，研究 的难度则随着运动自由度的增加而快速增加，因此对模型的要求要合理。而且， 纤维模型应该在数值计算中可行。因此，还应该继续探索更合适的纤维模型。 ( 2 ) 在两相流研究中，欧拉方法和拉格朗日方法各有其固有的优缺点。 拉格朗曰方法是质点动力学在两相流动力学中的具体应用，因此以往的气流 纤维相互作用的研究，都是采用拉格朗日方法进行的，采用欧拉方法的研究还 未见报导。 ( 3 ) 湍流脉动对纤维的作用以及纤维对湍流脉动的反作用在以往的研究 中还没有被考虑。 ( 4 ) 纤维纤维、纤维一壁面的耦合作用被忽略，至今尚未见到有关这 方面研究的报导。 1 3 研究目的和研究内容 本文的研究工作是建立纤维气流两相流模型，用数值模拟的方法对纤维 曾泳春东华大学博士学位论文2 0 0 3 年 第一章引言 在喷嘴高速气流场中的运动进行研究，在理论上阐明纤维在气流场中运动的规 律，对如何在纺织加工中合理有效地利用气流技术生产出质量好、成本低的产 品以及利用气流技术发展新工艺、新方法提供必不可少的理论基础。 本文的数值模拟以喷气纺喷嘴为研究对象，只要相应改变边界条件，本文 的研究方法同样可以用于研究纺织加工中的其它气流场。研究内容主要包括以 下几部分： ( 1 ) 纤维气流两相流数学模型的建立； ( 2 ) 喷嘴中高速气流场的数值模拟； ( 3 ) 纤维在喷嘴气流场中运动的模拟： ( 3 ) 数值模拟结果的分析与应用。 1 4 论文的章节安排 论文第一章为引言，主要说明论文的研究背景、研究目的和研究内容，重 点阐述了这一研究领域的发展和国内外研究现状。 论文第二章对两相流的基本概念进行介绍，重点分析阐述了研究两相流的 两种基本方法一欧拉法和拉格朗日法，由此说明本文的研究方法。 论文第三章对纤维气流两相漉模型中的流体相进行计算，采用有限容积法 对喷气纺喷嘴中的高速气流场进行数值模拟，计算结果与激光多普勒测试结果 进行了比较，同时研究了参数对喷嘴中气流流动特征的影响。 论文第四章首先建立了纤维模型，根据上一章气流场的计算结果对纤维在 喷嘴气流场中的运动进行模拟，至此，完成纤维气流两相流模型的求解。采用 高速摄影技术对纤维运动的模拟结果进行验证，同时研究了参数对纤维运动的 影响。 论文第五章对理论研究的结果进行分析和应用，将理论研究与实验研究联 系起来。 论文第六章对全文作总结和展望。 曾泳春东华大学博士学位论文2 6 0 3 年第一章引言 参考文献 【1 f e l d m a n l t h e o r e t i c a l t r a j e c t o r y t w o 。d i m e n s i o n a lf l o w st e x t i l er e s j 2 b a n g e r tl h a n ds a g d e op m o n s t u d i e so f l i g h t b o d i e si nn o n u n i f o r m ，1 9 6 6 ，3 6 ( 9 ) ：8 0 9 - 8 1 3 f i b e ra l i g n m e n tu s i n gf l u i d d y n a m i cf o r c e s t e x t i l er e s j ，1 9 7 7 ，4 7 ( 1 2 ) ：7 7 3 7 8 0 3 】程悌吾纤维在流体中各种运动形态可能性的判别，华东纺织工学院学报，1 9 8 5 11 ( 2 ) ：1 - 7 4 程悌吾弯曲纤维平面悬浮运动形态的判别中国纺织大学学报，1 9 8 7 ，1 3 ( 6 ) ：7 3 7 7 5 】程悌吾。粘弹性纤维在均匀变形流场中的悬浮动力学中国纺织大学学报，1 9 8 8 14 ( 6 ) ：8 9 - 9 6 6 范辰五，程悌吾气体一纤维流动的一个计算模型及其在典型流动中的应用举例 中国纺织大学学报，1 9 8 7 ，1 3 ( 2 ) ：l 1 3 7 1 y a m a m o t os a n dm a t s u o k at am e t h o df o rd y n a m i cs i m u l a t i o no f r i g i da n df l e x i b l e f i b e r si naf l o w f i e l d ，j c h e m p h y s ，1 9 9 3 ，9 8 ( 1 ) ：6 4 4 6 5 0 8 】s m i t ha c a n dr o b e r t sw w j r s t r a i g h t e n i n go fc r i m p e da n dh o o k e df i b e r si n c o n v e r g i n gt r a n s p o r td u c t s ：c o m p u t a t i o n a lm o d e l i n g t e x t i l er e s j 1 9 9 4 ，6 4 ( 6 ) ： 3 3 5 3 4 3 9