高效纺织再添奠基石

与其他一等奖项目相比，东华大学纺织学院的“纤维/高速气流两相流体动力学及其应用基础研究”属于纺织科学与技术中的基础科学领域，最为国内首屈一指的纺织类高校，郁崇文教授和他的团队更加注重了对基础科学，对纺织领域基石的奠基。
　　
　　气流在纺织领域中的应用非常广泛，贯穿于从纤维形成纺织品的工艺过程中，而高速气流的应用更是为纺织新技术、新工艺的产生与发展奠定了基础。“借助高速气流的作用，我们能够实现对纺织纤维的输送、牵伸、分离、加捻等工艺过程，这在提高加工效率、缩短工艺流程等方面有着不可估量的前景。”虽然言语不多，但郁崇文教授已清晰地将这项基础研究的重要性勾勒出来。
　　
　　一项基础研究如何在数百项目中脱颖而出？在东华大学纺织学院浓厚的学术氛围中，“纤维/高速气流两相流体动力学及其应用基础研究”项目组的成员们用通俗易懂的文字和生动的幻灯片为我们诠释了基础研究在行业发展过程中不可或缺的基石作用。
　　
　　四项重点获突破
　　自主研制全新喷嘴
　　
　　主持人：您的研究团队历经16年的潜心研究使这项研究获得巨大进展，其对于实现高效纺织有哪些意义？
　　
　　郁崇文：这一项目通过对纤维在高速气流场中两相流动力学问题进行整体、全面的原创性基础研究，深入揭示了柔性纤维/高速气流两相流体动力学特性，不仅具有重要的学术价值，还通过理论研究结果在纺织领域中的工程应用，从机理上获得了喷气（涡流）纺纱、气流喷嘴减少纱线毛羽、熔喷等新型纺织技术的加工特性，为涉及纤维/高速气流两相流动与耦合作用的纺织工艺与装备研发提供了理论参考。
　　
　　项目的成果符合国家实施“开展基础研究，加强纺纱织造加工等重点领域的基础理论和前沿技术研究，为行业自主创新提供理论指导及源动力”的纺织工业发展战略的要求，社会效益显著。
　　
　　主持人：这项理论研究的成果应用于纺织工程的实践后做了哪些构建和完善工作？
　　
　　曾泳春：在这项研究应用于实践的过程中，项目组设计开发了具有自主知识产权的自由端喷气纺纱喷嘴并逐步改进，实现了工艺参数的系统优化；受太平洋机电集团上海纺机研究所委托，承担了国产喷气纺纱机的关键部件——喷嘴的研制，为先进设备国产化提供核心技术；与山东烟台华大科技有限公司合作，对熔喷无纺布设备的关键部件进行设计，采用数值模拟的方法指导实验研究，在此基础上开发了中、大幅宽熔喷无纺布生产线并已推向市场。
　　
　　主持人：从技术角度分析，纺织纤维要实现高速气流需要进行哪些技术攻关？
　　
　　郁崇文：首先，我们先后构建了“珠—杆”链式纤维模型和基于有限单元法的纤维模型，能够合理体现纤维的大长径比和柔、弹性特征。纤维模型不仅可以描述纤维的位置与取向，同时可以表征纤维的弯曲、扭转、拉伸等变形情况。
　　
　　其次，对纺纱喷嘴（包括喷气纺纱、喷气涡流纺纱、气流减羽喷嘴等）内高速气流场特性作了深入而系统的工作，采用数值模拟和实验测试技术对高速气流场特性，包括旋转射流、回流和涡破裂现象在时间、空间上的发展演变，以及重要参数对旋流特性的影响进行了理论和实验研究。
　　
　　再次，采用拉格朗日—欧拉法构建了纤维/气流两相流的单向与双向耦合动力学模型，实现了纤维在纺纱喷嘴内高速旋转气流场中运动的数值模拟，并采用高速摄像技术进行实验研究，获得了纤维的运动、变形特征及其与高速气流场的相互作用规律。
　　
　　最后，对理论研究结果进行工程应用。根据纤维与高速气流的相互作用特性以及纤维运动与变形规律的数值模拟结果，对基于高速气流的新型纺织技术--喷气纺纱、喷气涡流纺、气流减少毛羽等技术中纤维的运动规律进行分析，揭示其工艺原理，对工艺参数进行优化，对喷嘴结构参数进行设计，对成纱质量进行预测，并对合理选择纤维性能参数提供指导；设计开发了具有自主产权的喷嘴装置。
　　
　　从实验室到车间
　　基础科学显优势
　　
　　主持人：作为纺织基础科学项目，其主要的技术创新体现在哪里？
　　
　　曾泳春：主要体现在五个方面：一是构建了基于柔弹性特征的纤维模型。“珠—杆”链式和基于有限单元法的纤维模型，将纤维的柔弹性物理特征纳入其中，实现了纤维在高速气流中位置、取向及变形的合理描述。
　　
　　二是揭示了纤维在高速气流场中的耦合作用特性与运动变形规律。我们采用拉格朗日-欧拉法构建了纤维/气流的耦合动力学模型，在国际上首次实现了纤维在喷气纺、喷气涡流纺、气流减羽等喷嘴中运动的数值模拟，获得了纤维运动、变形特征及其与高速气流场的相互作用规律。
　　
　　三是实现了纺纱喷嘴内高速气流场流动特性的数值模拟与实验测试。该项目在国内最早采用计算流体动力学（CFD）技术与激光多普勒测速（LDV）等技术对纺织工艺中高速气流场特性，包括速度和压力分布规律，旋转射流、回流和涡破裂现象的发展进行了数值模拟与实验测试，为喷嘴内气流流动特征的研究提供了有效的方法。
　　
　　四是对纤维/高速气流两相流体动力学理论研究成果在高速气流纺纱中进行应用。揭示了喷气纺与喷气涡流纺加捻、气流喷嘴减少纱线毛羽的机理，设计了具有自主知识产权的纺纱喷嘴，实现了工艺的系统优化与成纱质量的精确预测。
　　
　　五是将纤维/高速气流两相流体动力学模型拓展应用于超细纤维纺丝拉伸技术中。基于纤维/高速气流两相流体动力学的理论结果，对熔喷中聚合物纤维在高速气流场中拉伸成型过程进行模拟，获得纤维运动的三维轨迹，预测纤维直径、应力以及鞭动振幅，为超细纤维成型机理提供了有效的研究手段。
　　
　　主持人：对于“纤维/高速气流两相流体力学”问题的研究给企业在实际应用过程中带来哪些益处？
　　
　　郁崇文：2003年，在国产喷气纺纱机研制上，项目组与上海太平洋机电集团合作，对喷嘴流场及纤维运动的理论计算与分析，合理地设计了喷气纺的关键部件-喷嘴，利用该喷嘴生产出的喷气纱品质优良。上海太平洋机电集团采用该喷嘴开发了具有自主知识产权的喷气纺纱机，并在上海国际纺织机械展览会上得到了好评。
　　
　　2007年，项目组与湖南华升集团株洲雪松麻业公司合作进行高档苎麻面料的开发，在络筒机上采用了项目组研制的减少苎麻毛羽的气流喷嘴，大幅度减少了苎麻及其混纺纱的毛羽，长毛羽可减少50%以上，不仅提高了苎麻纱的织造效率，还有效地改善了苎麻织物的刺痒感，为开拓高支细薄苎麻面料以及针织产品起到了重要的作用，产生了显著的经济和社会效益。
　　
　　2009年，我们与山东烟台华大科技有限公司合作，对熔喷无纺布设备的关键部件进行设计，采用数值模拟的方法指导实验研究，获得了熔喷高速高温气流场的速度和温度分布，并用于指导实验研究，减少了实验研究的盲目性，大大节约了实验的时间、材料等成本，在此基础上开发了中、大幅宽熔喷无纺布生产线并已推向市场。