转杯纺是新型纺纱的一种,具有高速度、大卷装、短流程、废落棉适纺性好等特点。转杯纺纱过程中,纤维由分梳辊开松梳理,梳理之后的纤维进入输棉通道,被输棉通道中的气流带动,进入转杯,在转杯的凝聚槽内汇集并合,并合后的纤维束经过加捻形成纱线,之后从引纱管引出。本文以抽气式转杯纺机为例,对纺纱通道中流体流动的控制方程和湍流模型的数值模拟方法进行介绍;建立纺纱器的三维模型,并对几何模型进行网格划分和边界条件设置,根据数值模拟计算的结果分析输棉通道位置、转杯转速、转杯出口负压、凝聚槽类型等因素对纺纱通道中气流流动规律和纤维运动轨迹的影响。以直径42 mm转杯为例,采用Ansys软件中ICEM-CFD建立三维抽气式转杯纺纱通道模型,通过Fluent软件对连续相气体流场进行数值模拟,根据连续相气流场的计算结果拟合离散相纤维运动轨迹,研究输棉通道位置对纤维在纺纱通道中运动的影响。在边界条件一致的情况下,比较输棉通道位置不同时(Y=13 mm、Y=9.75 mm、Y=6.5 mm)转杯纺纱通道中的气流分布特征及纤维运动轨迹的差异。试验结果表明:Y=13(工况a)时,输棉通道内气流速度与压强变化梯度最大,有利于伸直纤维;工况b时,凝聚槽的负压最大,纤维进入转杯能较好的凝聚汇集,有利于纤维紧密凝聚成纱;输棉通道位置过低(工况c),转杯内部涡流分布不均,不利于转杯高速平稳转动。研究了直径、槽型、转杯转速和转杯出口负压对纺纱通道气流场以及纤维运动状态的影响。结果表明:增大转杯转速,转杯壁面和输棉通道中心线上的低静压值愈小,高静压值愈大,转杯壁面上压强分布不均匀,高速转动时会发生动荡,不利于机器稳定生产;凝聚槽处的纤维运动速度增大,促使纤维由转杯滑移面向凝聚槽汇集;转杯出口静压值的逐渐减小,输棉通道入口与出口处的静压差越大,输棉通道内气流的速度变化越大,纤维在气流的牵引下充分加速,利于纤维从分梳辊处剥离,在通过输棉通道时进行充分伸直;转杯出口静压值越小,凝聚槽截面静压分布逐渐平缓,转杯内涡旋气流的数量减少,转杯内部的气流逐渐平滑稳定;转杯内涡流强度越大,涡状气流会干扰纤维向凝聚槽处汇集,部分纤维沿着涡状气流做螺旋运动。通过对直径为36mm的G型、T型、U型和V型槽转杯的纺纱通道气流分布和纤维运动进行数值模拟计算,结果表明:在四种槽型中,输棉通道入口静压大小为T型>V型>G型>U型;输棉通道出口静压大小为T型>V型>G型>U型,静压差值大小为U型>G型>V型>T型。采用T型转杯时,输棉通道的静压变化最缓慢,输棉通道入口与出口的静压差值最小,为5897 Pa。在四种槽型中V型转杯壁面的压强差值和凝聚槽截面的压强差值最大,且其转杯壁面低压值与凝聚槽截面低压值最小、高压值最大,其中壁面低压值为-10701 Pa、高压值为-300 Pa,凝聚槽截面低压值最小为-10960 Pa、高压值-950 Pa。U型槽转杯的输棉通道出口气流速度值最大为102 m/s,纤维在输棉通道中受气流牵引,纤维能够充分伸直;T型槽输棉通道出口的气流速度值在四种槽型中最小,其气流速度值最大值为98.2 m/s,纤维在其输棉通道中的伸直程度也是最差;V型槽转杯内涡流中心靠近转杯中心,纤维进入转杯后受涡状气流的干扰较小,纤维能较好地在转杯凝聚槽汇集且纤维凝聚紧密。通过对转杯直径分别为33mm、36mm和46mm的T型转杯的纺纱通道气流分布和纤维运动进行数值模拟计算,结果表明:(1)转杯直径增大,转杯壁面分布的低压值增大、高压值减小;凝聚槽截面的低压值逐渐增大;36mm转杯凝聚槽的高压值最大,33mm转杯凝聚槽的高压值最小;转杯直径增大,其输棉通道中心线的气流速度变化率增大;采用46mm转杯时输棉通道入口、出口的气流速度最大,出、入口气流的速度差值最大;转杯直径越大,凝聚槽处的气流速度越大,36mm转杯凝聚槽处气流的速度变化幅度最小,46mm转杯凝聚槽处气流的变化幅度最大;(2)转杯直径的大小影响转杯内的纤维分布,转杯直径越小,转杯内的纤维排列紧密,纤维受转杯内涡流的牵引,螺旋运动的纤维较多,容易相互缠绕;转杯直径增大,转杯内螺旋运动的纤维减少,降低了生成缠绕纤维的可能性。