高效紡織再添奠基石

與其他一等獎項目相比，東華大學紡織學院的“纖維/高速氣流兩相流體動力學及其應用基礎研究”屬于紡織科學與技術中的基礎科學領域，最為國內(nèi)首屈一指的紡織類高校，郁崇文教授和他的團隊更加注重了對基礎科學，對紡織領域基石的奠基。
　　
　　氣流在紡織領域中的應用非常廣泛，貫穿于從纖維形成紡織品的工藝過程中，而高速氣流的應用更是為紡織新技術、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，我們能夠實現(xiàn)對紡織纖維的輸送、牽伸、分離、加捻等工藝過程，這在提高加工效率、縮短工藝流程等方面有著不可估量的前景�！彪m然言語不多，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。
　　
　　一項基礎研究如何在數(shù)百項目中脫穎而出？在東華大學紡織學院濃厚的學術氛圍中，“纖維/高速氣流兩相流體動力學及其應用基礎研究”項目組的成員們用通俗易懂的文字和生動的幻燈片為我們詮釋了基礎研究在行業(yè)發(fā)展過程中不可或缺的基石作用。
　　
　　四項重點獲突破
　　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展，其對于實現(xiàn)高效紡織有哪些意義？
　　
　　郁崇文：這一項目通過對纖維在高速氣流場中兩相流動力學問題進行整體、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力學特性，不僅具有重要的學術價值，還通過理論研究結果在紡織領域中的工程應用，從機理上獲得了噴氣（渦流）紡紗、氣流噴嘴減少紗線毛羽、熔噴等新型紡織技術的加工特性，為涉及纖維/高速氣流兩相流動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施“開展基礎研究，加強紡紗織造加工等重點領域的基礎理論和前沿技術研究，為行業(yè)自主創(chuàng)新提供理論指導及源動力”的紡織工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，社會效益顯著。
　　
　　主持人：這項理論研究的成果應用于紡織工程的實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踐的過程中，項目組設計開發(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，實現(xiàn)了工藝參數(shù)的系統(tǒng)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)噴氣紡紗機的關鍵部件——噴嘴的研制，為先進設備國產(chǎn)化提供核心技術；與山東煙臺華大科技有限公司合作，對熔噴無紡布設備的關鍵部件進行設計，采用數(shù)值模擬的方法指導實驗研究，在此基礎上開發(fā)了中、大幅寬熔噴無紡布生產(chǎn)線并已推向市場。
　　
　　主持人：從技術角度分析，紡織纖維要實現(xiàn)高速氣流需要進行哪些技術攻關？
　　
　　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(xiàn)纖維的大長徑比和柔、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(nèi)高速氣流場特性作了深入而系統(tǒng)的工作，采用數(shù)值模擬和實驗測試技術對高速氣流場特性，包括旋轉射流、回流和渦破裂現(xiàn)象在時間、空間上的發(fā)展演變，以及重要參數(shù)對旋流特性的影響進行了理論和實驗研究。
　　
　　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力學模型，實現(xiàn)了纖維在紡紗噴嘴內(nèi)高速旋轉氣流場中運動的數(shù)值模擬，并采用高速攝像技術進行實驗研究，獲得了纖維的運動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規(guī)律。
　　
　　最后，對理論研究結果進行工程應用。根據(jù)纖維與高速氣流的相互作用特性以及纖維運動與變形規(guī)律的數(shù)值模擬結果，對基于高速氣流的新型紡織技術--噴氣紡紗、噴氣渦流紡、氣流減少毛羽等技術中纖維的運動規(guī)律進行分析，揭示其工藝原理，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，對噴嘴結構參數(shù)進行設計，對成紗質(zhì)量進行預測，并對合理選擇纖維性能參數(shù)提供指導；設計開發(fā)了具有自主產(chǎn)權的噴嘴裝置。
　　
　　從實驗室到車間
　　基礎科學顯優(yōu)勢
　　
　　主持人：作為紡織基礎科學項目，其主要的技術創(chuàng)新體現(xiàn)在哪里？
　　
　　曾泳春：主要體現(xiàn)在五個方面：一是構建了基于柔彈性特征的纖維模型�！爸椤獥U”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，實現(xiàn)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中的耦合作用特性與運動變形規(guī)律。我們采用拉格朗日-歐拉法構建了纖維/氣流的耦合動力學模型，在國際上首次實現(xiàn)了纖維在噴氣紡、噴氣渦流紡、氣流減羽等噴嘴中運動的數(shù)值模擬，獲得了纖維運動、變形特征及其與高速氣流場的相互作用規(guī)律。
　　
　　三是實現(xiàn)了紡紗噴嘴內(nèi)高速氣流場流動特性的數(shù)值模擬與實驗測試。該項目在國內(nèi)最早采用計算流體動力學（CFD）技術與激光多普勒測速（LDV）等技術對紡織工藝中高速氣流場特性，包括速度和壓力分布規(guī)律，旋轉射流、回流和渦破裂現(xiàn)象的發(fā)展進行了數(shù)值模擬與實驗測試，為噴嘴內(nèi)氣流流動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力學理論研究成果在高速氣流紡紗中進行應用。揭示了噴氣紡與噴氣渦流紡加捻、氣流噴嘴減少紗線毛羽的機理，設計了具有自主知識產(chǎn)權的紡紗噴嘴，實現(xiàn)了工藝的系統(tǒng)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力學模型拓展應用于超細纖維紡絲拉伸技術中�；�于纖維/高速氣流兩相流體動力學的理論結果，對熔噴中聚合物纖維在高速氣流場中拉伸成型過程進行模擬，獲得纖維運動的三維軌跡，預測纖維直徑、應力以及鞭動振幅，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”問題的研究給企業(yè)在實際應用過程中帶來哪些益處？
　　
　　郁崇文：2003年，在國產(chǎn)噴氣紡紗機研制上，項目組與上海太平洋機電集團合作，對噴嘴流場及纖維運動的理論計算與分析，合理地設計了噴氣紡的關鍵部件-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)公司合作進行高檔苧麻面料的開發(fā)，在絡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，長毛羽可減少50%以上，不僅提高了苧麻紗的織造效率，還有效地改善了苧麻織物的刺癢感，為開拓高支細薄苧麻面料以及針織產(chǎn)品起到了重要的作用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟和社會效益。
　　
　　2009年，我們與山東煙臺華大科技有限公司合作，對熔噴無紡布設備的關鍵部件進行設計，采用數(shù)值模擬的方法指導實驗研究，獲得了熔噴高速高溫氣流場的速度和溫度分布，并用于指導實驗研究，減少了實驗研究的盲目性，大大節(jié)約了實驗的時間、材料等成本，在此基礎上開發(fā)了中、大幅寬熔噴無紡布生產(chǎn)線并已推向市場。