本文使用 SolidWorks Flow Simulation 对一款典型的气流纺纱机核心部件进行了CFD分析，通过流体动力学仿真分析，可以直观地观察纺纱机内部流线分布和纺纱纤维的运动过程，并通过比较不同的壁面粗糙度参数计算结果，分析了纺纱机壁面粗糙度对纱线成型的影响。
一、引言
气流纺纱机又叫转杯纺纱机，气流纺纱有速度大，纱卷大，适应性广，机构简单，不用锭子、钢领、钢丝圈的优点，可成倍地提高细纱的产量。在各种新型纺纱方法与技术中，气流纺纱由于其技术和产品的实用性，得到了大量的推广与应用。气流纺纱的基本工作原理是，将纤维随气流输送到高速回转的转杯内壁，在凝聚槽内形成纱尾，同时被加拈成纱引出，直接绕成筒子。
气流纺纱过程中输入的气流不是单一的空气气体，其中含有大量的纺织纤维，如何使用软件进行可视化的CFD模拟分析，是非常具有挑战的问题。本文采用专业的计算流体动力学分析软件 SolidWorks Flow Simulation 对气流纺纱过程进行数值模拟，分析了内部流体的速度场和压力场分布等，并通过粒子追踪方法，分析了纤维粒子的旋转流动过程。
二、模型组成及分析说明
气流纺纱机的原始模型含有密封垫、轴承、螺栓等部件，非常复杂。为方便计算分析，本文对原始模型进行了简化处理，其结构基本组成及坐标系如图1。
模型组成
图1 模型组成
模型由定子、高速转子和外壳三部分组成。其中气流入口在定子上，直径为1mm，入口流体的质量流率为0.0002026kg/s，高速转子的转动速度为130000r/min，出口处的压力边界条件为96325Pa。
首先，使用FlowSimulation分析不含纤维粒子的气体流动，实际问题中纤维对气体的影响忽略不计;然后在该气体流动迹线分析结果的基础上进行纤维粒子流动分析。
三、模型创建
1.初始设置
使用FlowSimulation中提供的自动向导创建功能，进行如下设定，国际制(SI)长度单位为mm，旋转速度单位为r/min，质量流率单位为kg/h;分析类型为内部流动，排除内部没有流动条件的空腔;流体类型为空气;默认初始条件;结果求解精度等级设为4，最小间隙设为1mm，其他默认设置。
2.边界条件
按图1所示设置入口和出口边界条件，入口质量流率为0.73kg/h(图2)，出口静压为96325Pa(图3)，指定如图4所示的真实壁面旋转条件，指定旋转速度。
入口边界条件
图2 入口边界条件
出口边界条件
图3 出口边界条件
真实壁面
图4 真实壁面
3.初始条件
为了加快收敛计算速度，设置壳体内部切向气体初始速度为40m/s。在FlowSimulation中通过设置两个方向的初始条件来实现，此处不再赘述。
四、结果分析
图5是内部流体速度场分布，从图中可以知道，最大速度位于气体入口处和转子壁面处;图6是Y向(竖直方向)速度分量图，从图中可知，出口处的Y向速度场较大，这与实际情况非常吻合。同时也可以发现，在壳体底部和转子壁面处，Y向速度场接近于0，这说明在这些壁面处，有可能出现运动接触后反弹。流动迹线显示如图7、图8所示。
流体速度场分布
图5 流体速度场分布
流体速度场Y向分量
图6 流体速度场Y向分量
光滑壁面流动迹线
图7 光滑壁面流动迹线
粗糙壁面流动迹线
图8 粗糙壁面流动迹线
五、粒子流动分析
设置纺织纤维粒子材料为聚苯乙烯(Polystyrene)，使用反射壁面条件。设置两种流动粒子，一种半径为0.005mm(5μm)，另一种半径为0.015mm(15μm)，结果图9和图10所示。
光滑壁面粒子流动(5μm)
图9 光滑壁面粒子流动(5μm)
光滑壁面粒子流动(15μm)
图10 光滑壁面粒子流动(15μm)
六、壁面粗糙度的比较
使用500μm的壁面粗糙度进行计算，设置两种流动粒子，一种半径为0.005mm(5μm)，另一种半径为0.015mm(15μm)，结果如图11和图12所示。从分析结果来看，增加壁面粗糙度对Y向速度场分布没有太大影响，如图13和图14，壁面粗糙度主要影响ZX平面内的速度场分布，如图15和图16。此外，从图7和图8的流动迹线对比可以看出，增加壁面粗糙度对流动迹线的速度大小有很大的影响。
粗糙壁面粒子流动(5μm)
图11 粗糙壁面粒子流动(5μm)
粗糙壁面粒子流动(15μm)
图12 粗糙壁面粒子流动(15μm)
粗糙壁面流体速度场分布
图13 粗糙壁面流体速度场分布
粗糙壁面流体速度场Y向分量
图14 粗糙壁面流体速度场Y向分量
光滑壁面XZ平面流体速度场分布
图15 光滑壁面XZ平面流体速度场分布
粗糙壁面XZ平面流体速度场分布
图16 粗糙壁面XZ平面流体速度场分布
七、结语
SolidWorks Flow Simulation 可以很好解决气流纺织机械这类包含纤维或者粒子的复杂流体CFD计算问题，通过二次仿真计算可以直观观察流体的速度场和压力场、粒子的运动状况，为结构的合理设计提供有力的参考。
