高效紡織再添奠基石

——纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)及其應用基礎研究獲突破

主持：本報記者陶璐璐

嘉賓：東華大學(xué)紡織學(xué)院博導教授郁崇文曾泳春

纖維在高速氣流場(chǎng)中的位置、取向、彎扭度等直接決定了成品的結構、性能及質(zhì)量。高速氣流的應用為許多現代紡織技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展奠定了基礎。

與其他一等獎項目相比，東華大學(xué)紡織學(xué)院的“纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)及其應用基礎研究”屬于紡織科學(xué)與技術(shù)中的基礎科學(xué)領(lǐng)域，作為國內首屈一指的紡織類(lèi)高校教授，郁崇文和他的團隊更加注重了對基礎科學(xué)，對紡織領(lǐng)域基石的奠基。

氣流在紡織領(lǐng)域中的應用非常廣泛，貫穿于從纖維制成紡織品的工藝過(guò)程中，而高速氣流的應用更是為紡織新技術(shù)、新工藝的產(chǎn)生與發(fā)展奠定了基礎。“借助高速氣流的作用，我們能夠實(shí)現對紡織纖維的輸送、牽伸、分離、加捻等工藝過(guò)程，這在提高加工效率、縮短工藝流程等方面有著(zhù)不可估量的前景。”雖然言語(yǔ)不多，但郁崇文教授已清晰地將這項基礎研究的重要性勾勒出來(lái)。

一項基礎研究如何在數百項目中脫穎而出？在東華大學(xué)紡織學(xué)院濃厚的學(xué)術(shù)氛圍中，“纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)及其應用基礎研究”項目組的成員們用通俗易懂的文字和生動(dòng)的幻燈片為我們詮釋了基礎研究在行業(yè)發(fā)展過(guò)程中不可或缺的基石作用。

四項重點(diǎn)獲突破

自主研制全新噴嘴

主持人：您的研究團隊歷經(jīng)16年的潛心研究使這項研究獲得巨大進(jìn)展，這對于實(shí)現高效紡織有哪些意義？

郁崇文：這一項目通過(guò)對纖維在高速氣流場(chǎng)中兩相流動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行整體、全面的原創(chuàng )性基礎研究，深入揭示了柔性纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)特性，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還通過(guò)理論研究結果在紡織領(lǐng)域中的工程應用，從機理上獲得了噴氣(渦流)紡紗、氣流噴嘴減少紗線(xiàn)毛羽、熔噴等新型紡織技術(shù)的加工特性，為涉及纖維/高速氣流兩相流動(dòng)與耦合作用的紡織工藝與裝備研發(fā)提供了理論參考。

項目的成果符合國家實(shí)施“開(kāi)展基礎研究，加強紡紗織造加工等重點(diǎn)領(lǐng)域的基礎理論和前沿技術(shù)研究，為行業(yè)自主創(chuàng )新提供理論指導及原動(dòng)力”的紡織工業(yè)發(fā)展戰略的要求，社會(huì )效益顯著(zhù)。

主持人：這項理論研究的成果應用于紡織工程的實(shí)踐后做了哪些構建和完善工作？

曾泳春：在這項研究應用于實(shí)踐的過(guò)程中，項目組設計開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的自由端噴氣紡紗噴嘴并逐步改進(jìn)，實(shí)現了工藝參數的系統優(yōu)化；受太平洋機電集團上海紡機研究所委托，承擔了國產(chǎn)噴氣紡紗機的關(guān)鍵部件——噴嘴的研制，為先進(jìn)設備國產(chǎn)化提供核心技術(shù)；與山東煙臺華大科技有限公司合作，對熔噴無(wú)紡布設備的關(guān)鍵部件進(jìn)行設計，采用數值模擬的方法指導實(shí)驗研究，在此基礎上開(kāi)發(fā)了中、大幅寬熔噴無(wú)紡布生產(chǎn)線(xiàn)并已推向市場(chǎng)。

主持人：從技術(shù)角度分析，紡織纖維要實(shí)現高速氣流需要進(jìn)行哪些技術(shù)攻關(guān)？

郁崇文：首先，我們先后構建了“珠—桿”鏈式纖維模型和基于有限單元法的纖維模型，能夠合理體現纖維的大長(cháng)徑比和柔彈性特征。纖維模型不僅可以描述纖維的位置與取向，同時(shí)可以表征纖維的彎曲、扭轉、拉伸等變形情況。

其次，對紡紗噴嘴(包括噴氣紡紗、噴氣渦流紡紗、氣流減羽噴嘴等)內高速氣流場(chǎng)特性作了深入而系統的工作，采用數值模擬和實(shí)驗測試技術(shù)對高速氣流場(chǎng)特性，包括旋轉射流、回流和渦破裂現象在時(shí)間、空間上的發(fā)展演變，以及重要參數對旋流特性的影響進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。

再次，采用拉格朗日—歐拉法構建了纖維/氣流兩相流的單向與雙向耦合動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現了纖維在紡紗噴嘴內高速旋轉氣流場(chǎng)中運動(dòng)的數值模擬，并采用高速攝像技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗研究，獲得了纖維的運動(dòng)、變形特征及其與高速氣流場(chǎng)的相互作用規律。

最后，對理論研究結果進(jìn)行工程應用。根據纖維與高速氣流的相互作用特性以及纖維運動(dòng)與變形規律的數值模擬結果，對基于高速氣流的新型紡織技術(shù)——噴氣紡紗、噴氣渦流紡、氣流減少毛羽等技術(shù)中纖維的運動(dòng)規律進(jìn)行分析，揭示其工藝原理，對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化，對噴嘴結構參數進(jìn)行設計，對成紗質(zhì)量進(jìn)行預測，并對合理選擇纖維性能參數提供指導；設計開(kāi)發(fā)了具有自主產(chǎn)權的噴嘴裝置。

從實(shí)驗室到車(chē)間

基礎科學(xué)顯優(yōu)勢

主持人：作為紡織基礎科學(xué)項目，其主要的技術(shù)創(chuàng )新體現在哪里？

曾泳春：主要體現在五個(gè)方面：一是構建了基于柔彈性特征的纖維模型。“珠—桿”鏈式和基于有限單元法的纖維模型，將纖維的柔彈性物理特征納入其中，實(shí)現了纖維在高速氣流中位置、取向及變形的合理描述。

二是揭示了纖維在高速氣流場(chǎng)中的耦合作用特性與運動(dòng)變形規律。我們采用拉格朗日—歐拉法構建了纖維/氣流的耦合動(dòng)力學(xué)模型，在國際上首次實(shí)現了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運動(dòng)的數值模擬，獲得了纖維運動(dòng)、變形特征及其與高速氣流場(chǎng)的相互作用規律。

三是實(shí)現了紡紗噴嘴內高速氣流場(chǎng)流動(dòng)特性的數值模擬與實(shí)驗測試。該項目在國內最早采用計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)與激光多普勒測速(LDV)等技術(shù)對紡織工藝中高速氣流場(chǎng)特性，包括速度和壓力分布規律，旋轉射流、回流和渦破裂現象的發(fā)展進(jìn)行了數值模擬與實(shí)驗測試，為噴嘴內氣流流動(dòng)特征的研究提供了有效的方法。

四是對纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)理論研究成果在高速氣流紡紗中進(jìn)行應用。揭示了噴氣紡與噴氣渦流紡加捻、氣流噴嘴減少紗線(xiàn)毛羽的機理，設計了具有自主知識產(chǎn)權的紡紗噴嘴，實(shí)現了工藝的系統優(yōu)化與成紗質(zhì)量的精確預測。

五是將纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)模型拓展應用于超細纖維紡絲拉伸技術(shù)中。基于纖維/高速氣流兩相流體動(dòng)力學(xué)的理論結果，對熔噴中聚合物纖維在高速氣流場(chǎng)中拉伸成型過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得纖維運動(dòng)的三維軌跡，預測纖維直徑、應力以及鞭動(dòng)振幅，為超細纖維成型機理提供了有效的研究手段。

主持人：對于“纖維/高速氣流兩相流體力學(xué)”問(wèn)題的研究給企業(yè)在實(shí)際應用過(guò)程中帶來(lái)哪些益處？

郁崇文：2003年，在國產(chǎn)噴氣紡紗機研制上，我們與上海太平洋機電集團合作，對噴嘴流場(chǎng)及纖維運動(dòng)的理論計算與分析，合理地設計了噴氣紡的關(guān)鍵部件——噴嘴，利用該噴嘴生產(chǎn)出的噴氣紗品質(zhì)優(yōu)良。上海太平洋機電集團采用該噴嘴開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的噴氣紡紗機，并在上海國際紡織機械展覽會(huì )上得到了好評。

2007年，項目組與湖南華升集團株洲雪松麻業(yè)公司合作進(jìn)行高檔苧麻面料的開(kāi)發(fā)，在絡(luò )筒機上采用了項目組研制的減少苧麻毛羽的氣流噴嘴，大幅度減少了苧麻及其混紡紗的毛羽，長(cháng)毛羽可減少50%以上，不僅提高了苧麻紗的織造效率，還有效改善了苧麻織物的刺癢感，為開(kāi)拓高支細薄苧麻面料以及針織產(chǎn)品起到了重要作用，產(chǎn)生了顯著(zhù)的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

2009年，我們與山東煙臺華大科技有限公司合作，對熔噴無(wú)紡布設備的關(guān)鍵部件進(jìn)行設計，采用數值模擬的方法指導實(shí)驗研究，獲得了熔噴高速高溫氣流場(chǎng)的速度和溫度分布，并用于指導實(shí)驗研究，減少了實(shí)驗研究的盲目性，大大節約了實(shí)驗的時(shí)間、材料等成本，在此基礎上開(kāi)發(fā)了中、大幅寬熔噴無(wú)紡布生產(chǎn)線(xiàn)并已推向市場(chǎng)。

來(lái)源： 中國紡織網(wǎng)

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