单根纱线在射流流场飞行姿态耦合研究及分析

摘要

喷气织机是采用高速喷射气流来牵引纬纱进入异型筘槽的无梭织机，其中主喷嘴在纬纱的插入异型筘过程中起着至关重要的作用，以及流场与纱线进行流固耦合的运动性研究对成功射流引纬或研究影响各因素有着十分重要的地位。目前国内外大多数文献中只涉及到利用CFD仿真获得主喷嘴气流分布特性来研究气流速度、压力等对纱线飞行速度等上的影响，也有关于纱线物理表面等毛羽粗糙程度等对纱线飞行的影响研究，或是以改进喷气织机的主喷嘴结构以提高气流速度来获得更高的气流牵引力和更快的纱线飞行速度，整理发现众多学者在提出气流分布的特性、作用以及气流牵引力的概念、测定下，并没有从本质上来探讨纱线在气流场中的运动姿态特性。
　　在本文中，以RFJA10喷气织机引纬系统作为对象开展了以下研究。提出了一种基于主喷嘴的CFD数值仿真数据，并结合本文提出的耦合数值算法，通过Abaqus来循环仿真每一时间步下的纱线姿态变化和飞行速度变化。由于算法及软件的自编性和独特性，首先进行了关于算法和软件的验证，并重点研究了在高速射流中纬纱在引纬启动准备阶段的上下摆动姿态变化和起飞飞行过程，通过流场与固场的结合数值仿真，为喷气织机引纬机构的实际操作上提供基于理论的良好工况。
　　本文首先是利用CFD计算流体力学方法，采用RNGk-ε湍流模型，密度基的耦合定常隐式求解器，在稳态下进行主喷嘴流场的数值仿真计算。并从实验数据准确性的角度上进行了质量流量的测定实验来验证仿真的数据正确可靠性。基于此在Abaqus中对纱线的建模提出了杆单元-链式三维结构，在一定的高吻合度及小误差下，通过本自编软件的循环迭代可观察得到纱线在流场中三维上的姿态变化。
　　通过仿真射流引纬启动准备阶段和起飞阶段，以及结合高速摄影实验平台所捕捉的图像对比分析，可以得出仿真结果与喷气织机射流引纬图像有较高的吻合程度。研究得出关于纱线在气流场中，在主喷嘴引纬过程中最重要的是控制纱线的姿态变化规律。并总结得到纱线在引纬启动准备阶段，纱线在低常喷作用下具有在不同长度下的姿态可控性规律，并发现了不同长度下纱线的引纬启动飞行会有不同的姿态变化，尽管对引纬进入异型筘该过程没有影响，但可以更精准的在理论上提供一个良好的喷气织机操作工况条件，且本自编软件可以通过调节纱线物性参数，来仿真不同种类的纱线编织，这对国内各织机厂家生产控制上均有高利用率，可提高引纬效率来达到经济效益上的进一步发展。
　　通过本文研究的引纬启动阶段，喷气引纬还包括纱线在异型筘流道槽和辅喷喷嘴组的作用下飞行完成引纬，在辅喷阶段由于实验条件限制暂时搁浅，但希望通过此文可证明该自编软件的数值算法和软件可对该类似课题的研究作为参考，希望对喷气织机的理论研究发展提供一定的帮助。

目录

声明

摘要

图目录

1．1 课题研究背景及意义

1．2 喷气引纬系统

1．3 国内外研究综述

1．3．1 国内喷气引纬机构的研究现状

1．3．2 国外喷气引纬机构的研究现状

1．4 本论文主要研究内容

第二章 主喷嘴气流场和纱线的控制方程及模型

2．1 数值计算的软件环境

2．2 喷射引纬气流特性

2．3 流场的几何模型及网格划分

2．3．1 主喷嘴的流场模型的建立

2．3．2 辅喷嘴的流场模型的建立

2．3．3 引纬流场模型的网格划分

2．4 主喷引纬气流场的基本原理

2．4．1 主喷气流的控制方程

2．4．2 湍流方程

2．5 计算模型及边界条件设置

2．6 仿真结果

2．7 本章小结

第三章 单根纱线与流场的流固耦合方法

3．1 纱线的几何建模

3．2 射流对单根纱线作用分析

3．2．1 纱线的气动力受力分析

3．2．2 引纬过程算法

3．2．3 引纬过程算法框架

3．3 整体软件的设计

3．4 本章小结

第四章 喷气引纬实验研究

4．1 喷气引纬实验方法

4．2 喷气引纬实验台的搭建

4．3 纱线基本物理参数测量

4．4 质量流量实验搭建与验证

4．4．1 质量流量实验的搭建

4．4．2 质量流量实验的验证

4．5 本章小结

5．1 单根纱线引纬研究

5．1．1 单根纱线引纬过程的设计方案

5．1．2 单根纱线飞行状态的研究手段

5．2 单根纱线的流固耦合仿真

5．2．1 单根纱线定点抖动耦合

5．2．2 单根纱线长度的稳定性研究

5．2．3 单根纱线飞行姿态仿真

5．3 高速摄影实验结果讨论

5．3．1 纱线飞行姿态与实验结果讨论分析

5．4 本章小结

6．1 研究工作总结

6．2 论文主要创新点

6．3 后续研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文