Modelización del flujo de aire en toberas de hilatura.

MODELlZAClON DE RUJO DE AlRE EN TOBERAS DE HILATURA L. COI/, E. Valencia. G. Adolphs. X. F&s y J.A. P iol MODELlZAClON DEL FLUJO DE AlRE EN TOBERAS DE HILATURA. L. Coll, E. Valencia, G. Adolphs, X. Fa és y J.A. PiAol 0.1. Resumen i esse de ab ica ion e in luence de la composi ion La necesidad de conoce con p ecisión las de la ma ie e p emie e, qui a mo i é la p ésen e é ude composée de deux phases: a) ob en ion posibilidades de las mode nas obe as de hila u a expe imen ale des p o ils de i esse, e b) leu en cuan o a la calidad de hilo a ob ene , elocidad dé e mina ion analy ique en enan comp e du ai de ab icación e in luencia de la composición de la qu'il sagi ddn luide eel une con igu a ion ma e ia p ima. ha mo i ado el es udio p esen e, el ai iSYmé ique- Les c i e es de alo isa ion dési es cual cons a de dos ases: a) ob ención expe imen al son eche chés dans la co éla ion en e les ésul a s de los pe iles de elocidad y b) su de e minación ob enus les deux pa ies a) e b). analí ica eniendo en cuen a que se a a de un luido eal en una con igu ación axilsimé ica. En la co elación en e los esul ados ob enidos en los apa ados a) y b) se buscan los c i e ios de alo ación deseados. Palab as cla e: obe as, hila u a, lujo de ai e. 0.2. Summa y. MODELLIZATION OFAlR FLO W /N SPINNING AIR-JETS The objec i e o his pape is o accu a ely know he possibili ies o he mode n spinning ai -je s in espec o he quali y o he ya n o ob ain, he p oduc ion speed and he in luence o he aw ma e ial. The s udy is di ided in wo pa s: a) expe imen al ob en ion o he speed p o iles, and b) hei analy ical de e mina ion conside ing a eal low in an axialsymme ic con igu a ion. The desi ed e alua ion c i e ia a e looked o in he co ela ion be ween he esul s ound in a) and b). Key wo ds: je s, spinning, ai Bow 0.3. Résumé. MODELAGE DU FLUX D'AIR EN TUYERES DE FILATURE C'es la nécessi é de connai e a ec p écision les possibili és des uye es de ila u e mode nes pou ce qui es de la quali é de ila ob eni , D . Libe o CollTo osa. P o eso Ti ula de Uni e sidad de la UPC. Subdi ec o del INTEXTER y Je e del Labo a o io dewSis e nas y P ocesos Tex iles Mecánicos" de es e Ins i u o. " D . Eugenio Valencia Leona do. Ca ed í ico de Uni e sidad (Mecánica de Fluidos) de la UPC y Colabo ado del INTEXTER. e.. Dipl. Ing. Geo g Adolphs. P o eso isi an e y Colabo ado de INTEXTER. ...e Ing. Ind. Xa ie Fa bs Casadesús. Doc o ando del INTEXTER. ..... Ing. han An oni PiRol Echenique. Mo s clé: uye es, ila u e, lux d'ai . 1. INTRODUCCION A LA PROBLEMATICA El sis ema de hila u a po zunchado neumá ico median e obe as se basa en el p incipio de la alsa o sión ( igu a l)4). Dicho p incipio consis e en que al hace gi a la ena ib osa median e algún disposi i o de o sión (N2) (neumá ico en nues o caco), se in oduce una o sión que se p opaga aguas a iba, has a llega al pun o donde la mecha es pinzada po los cilind os (P) que alimen an la zona de hila u a; la o sión se hace p ác icamen e nula aguas abajo (en égimen es aciona io) has a llega al pun o de pinzaje de los cilind os p oduc o es del hilado ya o mado (Q). El hilado adquie e su esis encia debido a las ib as más ex e io es de la ena ib osa que no se en a ec adas po la alsa o sión aguas a iba. Es as ib as, al pasa po el disposi i o de o sión que des ue ce el núcleo, quedan zunchadas sob e él, dando la consis encia necesa ia al hilado ( igu a 2). Así pues, la obe a de hila u a eje ce dos unciones: a) aspi a las ib as que le son p esen adas a la en ada po los cilind os b) suminis a la alsa o sión a la ena ib osa. Po an o, es necesa io que la obe a p oduzca un o bellino con una componen e de elocidad axial pa a la aspi ación y una componen e angencia1 que haga gi a el hilo pa a p opo ciona la alsa o sión2). El o den de magni ud de es as componen es depende de la ma e ia p ocesada ( ipo de ma e ia, longi ud, densidad lineal, p opiedades dinamomé icas como enacidad, e c.) y ambién de las ca ac e ís icas que se p e enden ob ene en el hilado; la mayo o meno o sión de zunchado nos da á como esul ado un hilo con di e en e igidez, ac o, pode cub ien e en los ejidos, esis encia, elongación, con lo que se á ap opiado pa a unas u o as u ilidades. (Tabla 1). - MODELlZAClON DE FLUJO DE AIRE EN TOBERAS DE HILATURA L. Coll. E. Valenc a. G. Addphs. X. FanBs y J.A. P~nd TABLA 1 Magni udes que in e ienen en el sis ema de hila u a po zunchado neumá ico Ca ac e ís icas luídicas Ca ac e ís icas de la ma e ia p ocesada Ca ac e ís icas del hilado Concep o Velocidad del lujo en un plano que con iene el eje de la cáma a Velocidad del lujo en un plano no mal al eje Relación en e be za de ine cia y ue za iscosa Relación en e el impulso de la comen e de a as e Vi y la comen e aspi ada U, In eg al cu ilínia de la componen e de elocidad angencial Núme o de espi as de las ib as de zunchado po unidad de lonai ud Na u al, a i icial o sin é ica Longi ud media de las ib as Peso de una de e mi- nada longi ud de ib a Ca ga de o u a di i- dida po la densidad lineal del hilado Resis encia del hilado a la lexión G ado de sua idad del hilado Voluminosidad del hilado Ca ga de o u a del hilado di idida po la densidad lineal del hilado Ala gamien o que su e el hilo has a llega a la ca ga de o u a Componen e de elocidad axial de aspi ación Componen e angencia1 Núme o de Reynolds Impulso ela i o Ci culación To sión de zunchado Tipo de ib a Longi ud Densidad lineal Tenacidad Rigidez Tac o Pode cubnen e Tenacidad Elongaaón Símbolos V,(mlseg) V (m/Seg) Re=Ua*R/ pi*Vi2/piUa2 = j,, ~ 'dl= = o V'dA T > (llm) L(mm) T, ( ex) e(cN1 ex) e(cN/ ex) E (%) I Aplicación Aspi a las ib as p esen adas a la en ada Da el gi o a la ena ib osa pa a in oduci la alsa o sión Ca ac e ización del lujo In e cambio de can idad de mo i- mien o en e las co ien es V, y U, Valo a la in ensidad del ó ice Da consis encia al hilado Di e en es ipos de p oduc os Reglaje de los cilin- d os en la hilado a Calculo del nume a de ib as en la sección In luye en la esis encia de los ejidos In luye en las p opie- dades de los ejidos In luye en el ac o de los ejidos In luye en las p opie- dades de los ejidos In luye en la esis encia de los ejidos In luye en el compo amien o del hilo en la ejedu ía MODELaAClON DE RWO DE AIRE EN TOBERAS DE HILAWRA L. &U, E. Valen*a G. A-, X Fa& y J.A. Piild Regimen es aciona io FIGURA 1. Dis ibucián de la alsa o sión en la zona de hila u a lib as libe adas nideo del hllodo lib as,de mncW 1 ~obem & T&;S de CU&O de Cñinó o de ssll ais deslo si6n lo & ugaz P - FIGURA 2. Fo mación del hilo zunchado. 1 2. EL PROTOTIPO DE TOBERA PARA EL ESTUDIO EN EL BANCO DE PRUEBAS Se a a de analiza con de alle el compo amien o del lujo de ai e en el disposi i o de obe as ÓRTEX. Como en p incipio los elemen os de medida se ían sondas cilínd icas de P and l se pensó en cons ui una maque a a amaño ampliado, la cual acili a a la comodidad de las obse aciones du an e un iempo, de e minado po la capacidad de los comp eso es ins alados en la ed de ai e comp imido disponible. Al mismo iempo se incluyó un ubo de id io (pun o 5 de la igu a 3), el cual ac ua á como una en ana cuando se e ec úen medidas con un anemáme o láse , ac ualmen e ope a i o en nues o labo a o io, pe o que no hemos empleado oda ía pa a el es udio de es e lujo. El p o o ipo donde lle a a cabo las mediciones co esponde a la segunda obe a del conjun o de dos obe as VÓRTEX, de la casa MURATA. Se ealizó así po que en esa pa e del disposi i o es donde se p oduce la alsa o sión. Las pa es de que cons a y las dimensiones a escala pueden e se en la igu a 3. La zona de medida es a comp endida en e los pun os 8 y 10 donde se han inco po ado sondas cilínd icas de P and l, median e las cuales pod án de e mina se los pe iles de las componen es de elocidad axial y angencial. Las dimensiones elegidas inie on ijadas po la necesidad de minimiza las pe u baciones en las medidas que pudie an ocasiona los elemen os de medida, los cuales son in msi os. 3. SONDA CILINDRICA DE PRANDTL Y BANCO DE PRUEBAS Se ep esen a en la igu a 4 y consis e en un ubo cilínd ico de 6 mm. de diáme o dispues o en dos cue pos, el supe io y el in e io . Den o del mismo se han dispues o dos conduc os de diáme o 1.5 mm., los cuales es án conec ados a dos o i icios piezom6 icos dispues os en la pa ed la e al del cilind o y sepa ados unos ángulos bien de e minados. El uncionamien o es como sigue. Supongamos, según la igu a 5 a), una elocidad de e minada dispues a según se indica. Gi ando la sonda al ededo de su eje has a que las p esiones leídas en los ubos piezomé icos sean iguales ( igu a 5 b), ob enemos el ángulo a; si a con inuación gi amos de nue o la sonda has a que uno de los o i icios la e ales es é o ien ado según la di ección a ( igu a 5 c), la p esión leida en A es la de MODELIZACION DE FLUJO DE AIRE EN TOBERAS DE HiLANRA L. Col. E. ValencM. G. Addphs, X. FanBs y J.A. Pind es ancamien o y la leída en B la manomé ica; de en un plano no mal al eje (componen e angencial). modo que la ob ención de V es inmedia a. (Ve igu a 6). Las componen es de elocidad que nos Los componen es del banco de p uebas se in e esan son las comp endidas espec i amen e en ep esen an en la igu a 7. un plano que con iene al eje (componen e axial) y aspi ación o sión expansión 1. Rosca depósi o 2. Tapa dep6si o 3. Depósi o a p esión 4. Conduc o inyec o es 5. Tubo de id io 6. Placa po a-ángulo 7. Conduc o escape 8. Sonda cilínd ica de P and l 9. Placa po a-Angulo 10. Sonda P and i 2 11. Salida di uso . 12. Conduc o de salida 13. Sopo e 14. Fijación di uso 15. Guh ci cula 16. Pa ed di uso 17. Po a sonda 2 18. Conduc o dc salida 19. Sopo e ex e io 20. Po a sonda 1 21. Sopo e depósi o 22. Tapa inyec o es 23. Cen ado pa ed 24. Gula ci cula 25. Cen ado aspi ación 26. Conduc o aspi ación a: Toma dc p esión es álica FlGURA3. Pa es de que cons a la segunda obe a VORTEX del conjun o de dos obe as de la casa MURATA. 1. Tubos jezomé icos 2. Conduc o supe io 3. Jun a ó ica 4. O i icios piezo né icos 5. Conduc o in e io 6. Jun a bica 7. Tubos in e io es FIGURA 4. Sonda cilínd ica de P andl . MOLKLaAClON M RUJO DE AlRE EN TOBERAS LE HILATURA L.CoB.E.Velencla.G.A~,X.F&yJ.A.PlikJ e e encia - b P~~=p~~ =d 2*(PA2-p~* a) Si uad& de pa ida. b) O ien ación de ia snd p~ de e - c) nue a o ien ación de lason& minuelhgdo&hdi ecidm&V. pu akuiu el aio de V. FIGURA 5. U ilización de la sonda cilínd ica de P and l. Pa=Pa ,=742 m n Hg. U,=833 m/s Vj=241.42 ds =1.2*10-4 m/s ~=40*10~ ' 2)-V.2/ua2=839.95 pj* 12/~a1ua 1 3:' + Re=Ua*D/ =2776 FIGURA 6. Sección longi udinal de la obe a VORTEX. u i9 iCIK IWIDCuYÍmw W TLW DC WOI. 00- DETALLE 8 DETALLE A MODELIZACION DE FLUJO DE AIRE EN TOBERAS DE HlLAiüR.4 L. CoH. E. Valencia. G. Addphs. X. F& y J.A. Piñd 4. RESULTADOS OBTENIDOS Y SU VALORACION Los pe iles de elocidad medidos según se ha indicado se han ep esen ado en las igu as 8 a) y 8 b). La obse ación de la componen e axial pe mi e comp oba que en las condiciones de uncionamien o es udiadas la uni o midad es inexis en e. T a ándose de un mo imien o donde la o ación de las pa ículas es su ca ac e ís ica undamen al, se á decisi o pa a su análisis la conside ación del ec o o icidad w de inido median e la elación o=0.5* o V. Es deci , se á necesa io sus i ui el campo de elocidades V po el co espondien e de o icidad ole3) Debido a su na u aleza ec o ial w iene es componen es, cuyas exp esiones en las coo denadas cilínd icas ap opiadas pa a el caso son bien conocidas. De las es componen es, la decisi a es la o ien ada según el eje, dada po la ó mula oX=(l/ )*6( *V)/6 . Asimismo, o a magni ud signi ica i a de los lujos con o ación es la ci culación cuya exp esión a pa i del ec o o es la in eg al =2*jAo*d/4, siendo A la supe icie del ubo de ó ice, o olumen de con ol que aba ca nues o es udio. En el caso p esen e A coincide con la sección del amo de o sión donde hemos e ec uado las mediciones. El sen ido ísico de , deducido a pa i de la de icición pues a, es el doble del lujo del ec o o ación a a és de la supe icie A. Po an o, su magni ud nos da idea de la in ensidad, o o aleza, alcanzada en el lujo debido a la acción de la o ación o. De o ma ap oximada e indi ec a, en es e abajo se ha calculado la ci culación aplicando la exp esión de S okes =2*jA w*d~=j, V'dl, y suponiendo que las líneas a lo la go de las cuales se aplica la in eg al cu ilínea son ci cun e encias de adio . En consecuencia se han podido aza las á icas de la igu a 9, donde se han incluido, a modo compa a i o, o os casos bien conocidos: a) el co espondien e a un lujo po encial con un núcleo de o bellino y b) el empleado po Lamb pa a el es udio de la di usión no pe manen e de ó ices en un lujo iscoso En el caso p esen e c), se obse a un co imien o de o y de espec o al eje de la cáma a de o sión, lo cual indica que la disposición de las obe as que suminis an el lujo de ai e de impulsión no es simé ica o que su con igu ación no es idén ica. a) Componen e axial -12 -10 -8 -6 4 -2 O 2 4 6 8 10 12 Radio [mm] b) Componen e adial I Radio [mm] FIGURA 8. Pe iles de elocidad medidos. I MODELlZAClON DE FLUJO DE AIRE EN TOBEñAS DE HlLATUR.4 Radio [mm] Radio [mm] JOwa -12 -10 -8 -6 4 -2 O 2 4 S 8 16 12 Radio [mm] a) Flujo po encial con b) Flujo iscoso con dílusibn c) Flujo de la obe a VÓRTEX un núcleo de o bellino no pe manen e de la e icidad FIGURA 9. G á icas de lujo. En un es udio pos e io se piensa insis i en es a peculia idad y amplia el análisis inco po ando el hilo, eniendo en cuen a que es un cue po inme so en la co ien e y a as ado po ella. 5. AGRADECIMIENTOS Al S . José F esno, Auxilia de In es igación y Je e de Talle Mecánico del INTEXTER, po el abajo ealizado en la cons ucción de la obe a modelo. A la Subdi ección Gene al de P omoción de la In es igación del Minis e io de Educación y Ciencia (CICYT), po la sub ención del p esen e abajo. (P oyec o de In es igación PB89-0499). Es e abajo ha sido ealizado de acue do a la no ma i a es ablecida en el con enio EUETIT- INTEXTER de coope ación educa i a. 2. Coll, L., Valencia, E., Ga cía, E., Fa és, X. Fluidodinámica aplicada a la hila u a de al a elocidad. Bole ín In ex e . Te assa. Pendien e de publicación (1983). 3. Noll, B., Baue , H. J., Wi ig, S. Gesich spunMe de nume ischen Simula ion u bulen e S omungen in b ennkamme ypischen Kon igu a ionen. Z. Flugwiss. Wel aum o sch. Ka ls uhe,l3, 178-1 87 (1989)~ 4. G osbe g, P., Oxenham, W., Miao, M. The inse ion o wis in o ya ns by means o ai - je s. Pa 1: An expe imen al s udy o ai -je - spinning. Jou nal Tex ile Ins i u e. Manches e . 3, 189-203 (1 987). 5. Sa pkaya, T. Compu a ional me hods wi h o ices-The 1988 F eeman Schola Lec u e. Jou nal o Fluids Enginee ing. 111, 5-56, (1 989). 1. Ba chelo , G. K. An ln oduc ion 0 Fluid T abajo p esen ado en: 1995.03.22. Dynamics. Camb idge Uni e Si y P esS(1967) Acep ado en: 1995.03.27.