气流场分布在转杯纺纱中起着非常重要的作用。转杯纺纱利用气流进行排杂、纤维输送和转移,转杯纺纱器通道内的气流流动特性与纤维的运动形态、加捻效率和成纱质量有密切的关系。纺纱器是转杯纺的核心部件,但目前对其设计与应用研究还很少有从纤维在气流场中运动的角度去分析成纱加捻机理的报道,因而在纺纱器结构的优化设计以及转杯纺纱工艺参数优化方面缺乏有效的理论依据。本文以抽气式转杯纺纱器为研究对象,通过建立转杯纺纱器通道内气流场的理论计算模型,采用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究转杯纺纱器纺纱通道内气流的流动特性、气流流动与纤维运动形态的关系,进而对纺纱器结构和纺纱工艺参数进行优化设计。不仅为纺纱器设计提供理论依据,同时也丰富了转杯纺纱的基础理论。本文的研究内容分为三大部分:一是建立、求解和分析转杯纺纱器通道内气流场;二是对纤维在气流场中的运动进行模拟和对理论研究结果的分析与试验验证;三是输纤通道的结构改进与纺纱试验。第一部分研究内容涵盖论文的第三、四和五章,包括建立转杯纺纱器通道内气流场的理论模型,分析转杯和输纤通道的气流流动特征、纺纱器结构参数和纺纱工艺参数对气流流动特征的影响,以及试验验证数值模拟结果。第三章首先建立描述转杯纺纱器通道内气流场的控制方程,采用对旋流适应性较好的Realizable6)-ε模型进行湍流运算,近壁区采用壁面函数法处理,用二阶迎风格式对控制方程组进行离散,最后采用SIMPLE算法对其进行数值求解,从而得到转杯纺纱器通道内气流场的分布规律。在第四章中,采用计算模型I(未考虑分梳辊的影响)对转杯内的气流流动特征及纺纱器结构参数和纺纱工艺参数对气流流动特征的影响进行分析。第五章则考虑了分梳辊的影响,建立了计算模型II,运用该模型对输纤通道内的气流流动特征及参数对其影响规律进行分析;同时分析对比了计算模型I和II的模拟结果,并通过测量转杯内的气流静压分布分别对计算模型I和II的模拟结果进行验证,两者的试验结果与模拟结果分别具有较好的一致性。与计算模型I相比,计算模型II的模拟结果精度略高一些。对转杯内气流场的数值模拟结果表明:输纤通道内气流做加速流动,能对纤维起到牵伸的作用。输纤通道来流进入转杯后,与转杯壁面碰撞并分成沿着转杯壁面顺、逆时针高速旋转的两股气流,与转杯同向旋转的气流的流速较高且气流量较大,两股气流在输纤通道出口附近碰撞,并因此形成明显的回流。合并后的气流减速流向转杯中心,受到引纱通道来流的影响,在转杯内形成大漩涡。输纤通道来流导致转杯内气流压力和速度分布不均匀,输纤通道出口一侧的转杯内气流速度波动较大,通道出口所对着的凝聚槽处的气流速度最低。转杯转速、转杯出口负压和转杯直径对转杯内整体的气流流动特征的影响比较显著。模拟结果表明,增大转杯转速至160000 r/min,降低转杯出口负压至-5000 Pa和转杯直径由30 mm增大到44 mm均能使转杯内漩涡减少,并使凝聚槽圆周处的气流速度分布更加稳定。输纤通道入口气流速度、输纤通道与转杯的位置关系和转杯滑移角主要影响输纤通道出口一侧的转杯内的气流流动,即影响纤维的转移过程。输纤通道入口气流速度由12 m/s增大到20 m/s,输纤通道出口附近气流速度增大,但凝聚槽圆周的气流速度波动更加明显;长通道小角度对提高输纤通道出口附近的气流速度是有利的,但转杯壁面附近的漩涡也增多,短通道大角度的情况则与之相反;转杯滑移角由80°减小到62°,输纤通道出口附近气流速度随之增大。对输纤通道内气流场的数值模拟结果表明:沿分梳辊分梳腔流动的两股气流在输纤通道入口处碰撞,因而在输纤通道入口的壁面附近形成两个对称的漩涡,减小了有效输送纤维的面积,有可能导致纤维伸直度恶化。输纤通道中心的气流速度比壁面附近高,输纤通道同一个横截面处的气流速度存在差异,越靠近通道出口,差异越小。转杯转速对输纤通道内气流流动影响较小。转杯出口负压、分梳辊转速和输纤通道结构对输纤通道内气流流动影响比较明显。转杯出口负压增大到-9000 Pa,输纤通道入口处漩涡增大,但同时输纤通道出口气流速度也增大。分梳辊转速由8400 r/min减小到4800 r/min,输纤通道入口气流速度减小,但是速度分布更均匀。输纤通道入口面积由132mm~2增大到176 mm~2,漩涡明显增大,并且输纤通道入口气流速度降低。输纤通道长度由37.5 mm增大到50 mm对于减小气流漩涡是有利的。第二部分的研究工作是在第一部分的基础上展开的,包括以下两方面的内容:(1)为了直观体现纤维在转杯纺纱器通道内气流场中的运动形态,通过分析纤维在气流场中的受力来建立纤维的动力学方程,并根据第五章中气流场的模拟结果,求解得到纤维随时间在气流场中的运动轨迹。模拟结果表明,伸直纤维在输纤通道内保持伸直状态;受到加速气流的牵伸作用,弯钩纤维在输纤通道内逐渐伸直,前弯钩纤维的弯钩度由9.1%增大到27.3%,伸直弯钩耗时增加,弯钩的伸直过程也越复杂;而相同弯钩度的后弯钩纤维伸直弯钩耗时要短于前弯钩纤维。在通过输纤通道的过程中,纤维轴线逐渐向通道纵向中心偏移。输纤通道入口截面积、转杯转速和转杯出口负压均对弯钩度为18.2%的前弯钩纤维在输纤通道内的运动产生影响。输纤通道入口截面积由176 mm~2减小到132 mm~2,伸直弯钩耗时缩短38.1%,纤维到达滑移面的时间缩短7.41%。转杯转速主要影响弯钩伸直和纤维通过输纤通道的时间,转速越大,时间越短。转杯出口负压为-5000 Pa时,弯钩得不到完全伸直,随着转杯出口负压增大到-9000 Pa,弯钩逐渐得到伸直,且纤维到达滑移面的时间缩短,这减小了纤维碰撞壁面的可能性,有利于提高纤维伸直度。(2)对转杯纺纱器通道内气流场及纤维在流场中运动的模拟结果进行验证。选取转杯转速、转杯出口负压和分梳辊转速等三个参数进行纺纱试验,试验结果与模拟结果具有较好的一致性。第三部分内容是针对第五章中输纤通道入口处的气流漩涡所提出的对输纤通道结构的改进方法。在输纤通道长轴的反向延长线上设置一个补风通道,正常纺纱时,对输纤通道进行补气。数值模拟结果表明,补风通道的补入气流对消除输纤通道入口处的气流漩涡有良好的效果。此外,纤维剥离区的空间和气流速度都有所增大,这提高了纤维剥离牵伸倍数,从而有利于纤维的剥取和伸直度的提高。采用改进前后的转杯纺纱器进行纺纱试验和纤维伸直度测试对比,纺纱试验证明改进后的转杯纺纱器对提高成纱断裂强度有较为明显的效果,但是对成纱毛羽和条干等其他纱线性能的影响则根据纱线类别的不同而异。纤维伸直度测试结果表明,成纱断裂强度的提高主要源于弯钩纤维比例的下降,改进后,前、后弯钩纤维所占比例分别下降48.37%和41.96%,近似伸直纤维的比例上升了25.55%,即改进的输纤通道气流场有利于提高纤维伸直度,从而改善成纱强度。本文建立转杯纺纱器通道内气流场的理论计算模型,采用数值模拟与实验的方法,对转杯纺纱器通道内气流流动特征及纤维在气流中的运动规律进行研究,在此基础上,优化纺纱工艺参数和改进输纤通道结构。本论文的研究为转杯纺纱器的进一步优化设计和应用提供重要的理论支持。