項目背景

在化纖行業中，粘膠或 Lyocell 短纖維的開松處理是纖維成品前的一道重要工序，而開松處理設備通常選用輸毛管。輸毛管將經多臺切斷機切斷的束狀粘膠或 Lyocell 短纖維開松沖散，并輸送到給纖槽和精煉機，利于給纖槽均勻鋪毛、加強精煉機淋洗效果，提高纖維成品品質。然而，傳統的輸毛管主要起輸送作用，對開松纖維要求不高。探索束狀纖維在輸毛管中的開松機理及管道內流場狀態，對纖維運動狀態的影響、促進輸毛管管道結構合理化設計，提高纖維開松效果至關重要。本次研究中原工學院使用Cradle CFD優化了輸毛管道設計以提高行業生產效率。

設計挑戰

對輸毛管管道結構進行合理化設計，提高纖維開松效果研究領域難點主要是如何建立纖維的絲束模型。市場上流場分析軟件有 MSC Cradle CFD，ANSYS Fluent，cfx，comsol等，而進行輸纖通道中纖維與流場的耦合關鍵在于建立接近實際生產中的纖維模型，結合目前國內外研究現狀，輸纖通道中輸送的纖維數量少，且缺少絲束纖維模型在管道中開松的研究。MSC Cradle CFD流體分析軟件有自己本身獨特的離散元模型，同時基于離散元拓展的繩索模型，通過參數的設置使纖維模型接近實際生產。

設計案例

探究纖維開松機理

纖維絲束模型建模復雜，海克斯康旗下計算流體動力學仿真軟件MSC Cradle CFD顆粒生成單元建模效率高，操作簡便。Cradle CFD流體動力學分析軟件擁有先進的新型協同仿真和后處理功能，分析多物理場問題和混合的流體-顆粒相互作用，輸毛管優化設計研究以Cradle CFD流體軟件對粘膠和Lyocell纖維輸毛管的流體分析仿真探究纖維開松機理。

圖：不同時刻纖維運動軌跡及局部放大示意圖

優化管道結構消除流體漩渦

圖：管道流場前后對比

結合Cradle CFD高效的網格劃分方式，在原管道的不斷加以修改設計，進行仿真計算節省時間，極大減少時間成本，對比市場幾款流體計算軟件，仿真結果計算精確，Cradle CFD的續算能力讓使用者能夠及時檢測計算過程中發現的問題并能及時修正，避免使用者重復工作，減少工作強度。其對纖維在輸毛管中的流固耦合分析更符合生產中的現象模擬。

圖：結構改變前后的纖維運動分析

cradle CFD擁有較為強大的后處理分析能力，使纖維在輸毛管道中的運動呈現具象化，研究者更好觀察纖維在管道中的耦合運動，本研究通過改變管道結構，消除管道內的流場漩渦，提高纖維在管道內的輸送效率，減少纖維纏繞現象。

總 結

纖維輸毛管的設計對粘膠纖維或Lyocell短纖維絲束的開松效果至關重要。為了探究纖維絲束在輸毛管中的開松機理以及管道內流場狀態對纖維運動狀態的影響，采用三維建模軟件建立輸毛管流場模型。在商用軟件Cradle CFD中建立纖維絲束模型結合流場進行耦合計算，研究分析了2000根長度為38mm纖維絲束在輸毛管中的運動過程。結果表明，纖維絲束在輸毛管中受到流場作用的差異形成了纖維絲束運動的速度差是纖維絲束開松的主要原因；輸毛管的豎直圓形管道處存在較大的壓力梯度,使纖維絲束整體受到壓力差異,也為纖維開松創造條件,輸毛管的錐型管位置處的速度場較復雜,有利于纖維絲束開松；管徑的變化導致產生漩渦，阻礙了纖維的輸送,研究結果可以為化纖與紡織行業輸毛管設計提供參考。

中原工學院后續將進一步使用Cradle CFD，對更大規模的化纖進行研究，以便改進優化紡織行業輸毛管設計。截至目前，我們通過Cradle CFD 完成了纖維開松的機理分析，并在《現代紡織技術》期刊發表論文一篇—《輸毛管中流場狀態對纖維絲束開松處理效果的影響》，后繼我們將進行管道結構對流場的影響探究，分析纖維在不同結構管道中開松效果，探討最佳的適合纖維開松的管路結構。

參考文獻：

[1]王進,程賀棚,李帥,等.輸毛管中流場狀態對纖維絲束開松處理效果的影響[J].現代紡織技術,2024,32(03):29-37.

關于中原工學院

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其中機械設計制造及其自動化專業是國家級特色專業建設點、國家級專業綜合改革試點項目，工業設計是省級特色專業，機械設計制造及其自動化專業和工業設計專業目前是國一流專業建設點，機械電子工程專業是省級專業建設點。機械工程是省重點一級學科，設計學（工業設計方法及理論）是省重點學科，儀器科學與技術是校重點一級學科，為河南省優勢特色學科群“紡織服裝新材料與高端裝備”支撐學科，其中，機械制造及其自動化學科為河南省特聘教授設崗學科。