家用滚筒洗衣机的洗涤是通过衣物在滚筒内升高、滑落/摔落,融合揉搓、捶打等作用方式,清除衣物的污渍。滚筒洗衣机是欧洲地区最为常见的类型,近几年在国内的市场占有率也呈逐年上升的趋势。目前针对滚筒洗涤研究主要在传统洗涤参数、洗涤剂和温度对洗净效果的影响,鲜有研究关注洗衣机内筒旋转提供的机械能和水流冲击作用。一方面因为滚筒洗涤过程涉及各种复杂的作用力,且力的作用方式和大小时刻发生变化,无法定量研究,另一方面如何研究和表征机械作用的手段也比较匮乏。而机械作用是影响最终洗涤效果的主要因素,因此有必要深入研究该作用方式的运行机制。本课题首先研制了适用于滚筒洗涤织物运动轨迹追踪系统,该追踪系统可实时记录示踪织物质心轨迹,实现织物运动指标的可视化处理。基于该系统,研究了传统洗涤参数、织物参数和滚筒结构参数对织物洗涤运动的影响。综合上述三种参数,运用量纲分析,提出无量纲滚筒洗衣机模型,研究无量纲量及其交互作用对洗净的影响,建立垂直摔落过程水分沿织物厚度方向的对流传输模型。最后,研究了滚筒洗涤纯棉织物折皱形成机理,并从机械作用角度解释折皱形成的原因。主要研究内容如下:(1)开发织物运动轨迹追踪系统。该系统可实时记录示踪织物质心运动轨迹,对运动轨迹数据进行处理,提取有效运动指标,如速度(x方向速度、y方向速度和总速度)、加速度、剪切速率和滞留时间等,对上述运动指标进行处理,得到可视化的运动指标分布图。对该系统在一定条件下记录的织物质心在横截面上的分布以及质心随时间的变化,结合实际录制视频对比分析可知,该系统可用于反映织物在洗涤过程的运动质心变化。(2)滚筒洗涤动力学实验研究。基于织物运动轨迹追踪系统,建立织物运动指标体系,分别研究洗涤参数、筒结构参数和织物参数对织物运动的影响机制。一个完整洗涤过程,通常包含滑落、摔落和旋转等织物运动模式。织物质心欧拉速度分布图出现分区域现象,位于滚筒左下侧的“被动运动区域”和位于滚筒右上方的“主动运动区域”;被动运动和主动运动区域的配置关系对最终洗涤效果影响显著。织物滞留时间分布图上的“滞留区域”与被动运动面积区域相吻合。转速影响织物运动分布,主要因为滚筒旋转提供的离心力发生变化。虚拟质量可以解释水量变化对织物运动分布的影响。织物吸水性、湿态柔软度和表面摩擦性会影响洗涤过程织物的运动。(3)探索织物运动对织物洗后性能影响。基于量纲分析,构建无量纲滚筒洗衣机模型,研究结果表明,湿态织物体积填充比、织物表面摩擦系数、水量比与弗劳德数的交互作用、水量比、粘度系数和水量比与摩擦系数的交互作用是影响洗净性能的主要因素。湿态织物体积填充比、表面摩擦系数和水量比会显著影响织物质心-滚筒筒心距离,从而影响织物的摔落运动。建立摔落过程中水分沿多孔纺织材料厚度方向的对流传输模型,该模型考虑重力势能的影响。当摔落速度大于0.2m/s时,沿织物沿厚度方向的传输速率随速度增大逐渐增大。温度变化也会影响传输速率,但35℃和60℃时,最后一层织物达到扩散平衡时的时间相差无几。(4)探索机械作用对织物洗后外观平整性影响。负载、洗涤转速和脱水转速是影响滚筒洗涤纯棉织物折皱形成的主要影响因素。主洗阶段形成的折皱是暂时的,非稳态的;脱水阶段可以固化主洗阶段织物的弯曲形态,最终形成折痕。脱水阶段作用于纤维横截面的压应力约为0.17MPa,约是棉纤维塑性变形应力0.013~0.019MPa的10多倍。转速影响织物进入脱水阶段的最终形态。织物外观平整性随负载增大而降低,因为负载增大,被动运动区域和滞留区域增大,织物自由伸展空间减小,织物质心-筒心的平均距离缩短,织物更容易被困于接近内筒筒心的位置,在横向作用力下,发生缠绕,加剧折皱的形成。本文研究创新点主要有:(1)通过对滚筒洗涤动力学的研究,明确了洗涤参数、织物参数和滚筒结构参数对滚筒洗涤织物运动的影响程度,并从受力分析和织物运动形态分布角度分析各因素的作用机制,为后续研究提供基础。(2)首次对水流冲击过程中水分沿织物厚度方向传输过程进行建模、求解和实验研究,建立了水流冲击织物过程水分沿织物厚度方向对流扩散模型,定量讨论了摔落冲击速度和温度变化对传质的影响,实验数据与模型计算吻合较好,丰富了织物洗涤理论。(3)从织物运动角度解释洗涤阶段纯棉织物折皱形成机理,被动运动区域面积与主动运动区域面积的配置关系会影响织物外观平整性。折皱定型阶段为脱水阶段;洗涤阶段织物形成的弯曲形态是暂时的,但该弯曲形态可以在脱水阶段固化。本研究从织物运动和水分传输角度出发,解释摔落冲击过程对提升洗净效果的重要性。同时,探讨了织物运动形态变化对纯棉织物外观平整性的影响。该研究成果可运用到相关衣物护理过程研究中。此外,织物运动轨迹追踪系统也适用于烘干阶段织物运动的追踪。