纤维与气流耦合的数值模拟

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1、第36卷第1期纺织学报Vol．36，No．12015年1月JournalofTextileＲesearchJan．，2015DOI:10.13475/j．fzxb．201501015206纤维与气流耦合的数值模拟金玉珍，李俊，林培锋，吴震宇(浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018)摘要结合纤维的本构方程与气流控制方程，建立二维的纤维与气流耦合方程。采用相容时间积分与迭代耦合算法，对纤维在喷气织机主喷嘴中拉伸弯曲运动特性、纤维受力情况以及与壁面接触时的微观运动特性进行研究。结果表明:纤维在

2、气流的作用下会产生拉伸弯曲变形，呈现正弦或者余弦形式波动;纤维在自由端的弯曲变形效果比在约束端的明显;纤维受到气流作用时，最大应力值往往发生在纤维弯曲部位以及与壁面相接触的部位。关键词流固耦合;数值模拟;纤维;自适应网格中图分类号:TS101.2文献标志码:ANumericalsimulationoncouplingoffiberandairflowJINYuzhen，LIJun，LINPeifeng，WUZhenyu(FacultyofMechanicalEngineeringandAutomati

3、on，ZhejiangSci-TechUniversity，Hangzhou，Zhejiang310018，China)AbstractAtwo-dimensionalmodeloffluid-structurecouplingwassetupbasedontheequationofthefiberandthefluidcontrol．Theconsistenttimeintegrationanditerativecouplingalgorithmwereusedtosolvetheequation．

4、Theinteractionofthefiberandtheairflowinthemainnozzle，suchasthefibermotional，deformationalcharacteristicsandtheforceofthefiber，wasanalyzed．Theresultsshowthatthefiberunderairflowwillcomeintostretchingandbendingdeformationandpresentintheformofsineorcosine．

5、Thedeformationeffectofthefreeendofthefiberismoreobviousthanthatoftherestrainedend．Themaximumstressoftenoccurredinthebendingpositionaswellasthepartwherethefibercontactedwiththewall．Keywordsfluid-structureinteraction;numericalsimulation;fiber;adaptivemesh

6、柔性体与流体耦合的数值模拟一直是流体动力在流场中模拟刚性和柔性纤维运动的方法。纤维假型纺织机械基础研究领域的一大难题，国内外不少设为N个相同半径的球相互连接而成，通过改变球学者采用各种方法对纤维与气流两相耦合运动特点与球之间的距离、调度、扭转角来获得纤维的拉伸、［1］进行研究分析。Smith等研究了纤维在二维加速弯曲和扭转特性。通过求解流体动力和扭转力对单层流中的运动状态。构造能够描述纤维惯性、空气个球体的位移和旋转方程来获得纤维模型的运动。拖曳力和弯曲刚度的非线性方程，数值模拟带有弯但在具体应用上，

7、他们忽略了纤维的扭转，并且提出［2］［4］钩形状的纤维在气流的作用下被伸直。Kong等的珠链模型的计算成本很高。Lindstrom等提出构建了一个新的空气/纤维二维模型来模拟纤维在了一个柔性纤维在黏性流体中的运动模型，纤维被约束管道中的运动。通过模拟得到了沿着气流方向看成由纤维段连接而成，通过与气流的黏性与动态［5］的纤维会产生弯曲，但是这个模型不能体现纤维的拖曳力来描述。Takemura等采用浸没边界法模［3］伸长、扭转等特性;Yamamoto等提出了一种能够拟单根纤维在低雷诺数的剪切流的运动变化。

8、数值收稿日期:2013－12－02修回日期:2014－09－30基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(LZ14E050004，LQ12A02002);浙江理工大学流体工程技术创新团队资助项目(11132932611309);浙江理工大学研究生创新研究项目(YCX13023)作者简介:金玉珍(1979—)，女，副教授，博士。研究方向为纺织装备流体传动。E-mail:gracia1101@foxmail．com。第1期金玉珍等:纤维与气流耦合的数值模拟·15