Analyse und Optimierung einer Texturierdüse

In Anlagen zur Herstellung von Teppichfasern werden die Fäden über beheizten Galetten zunächst verstreckt und anschließend in einem oder mehreren Abzugskanälen durch schräg eingeblasene Luftströme beschleunigt, um dann in einen Lamellenkanal zur Kräuselung zusammengeführt zu werden. Zur Optimierung dieses gut funktionierenden Verfahrens wird in diesem Projekt die Luftströmung in der sogenannten Texturierdüse genauer untersucht. Dadurch werden Verbesserungen dieser Düse hinsichtlich:

  • Luftverbrauch,
  • Fadenzugkraft
  • und Drallwirkung möglich.

Die Luftströmung in der Texturierdüse kann durch die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie in Verbindung mit der Idealgasgleichung beschrieben werden. Dies führt auf die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen. In der Düse wird das Fadenbündel geometrisch vereinfachend als zylindrischer Dorn abgebildet.

Visualisierung Düsengeometrie Teilchenbahn
© Foto ITWM

Visualisierung Düsengeometrie Teilchenbahn

Dabei wird die Fadenbewegung durch die Vorgabe der Wandgeschwindigkeit an der Fadenoberfläche berücksichtigt. Als Randbedingungen werden der atmosphärische Druck am Querschnitt des Fadeneintritts, die Temperatur und der Überdruck an der Luftzuführung sowie am Querschnitt des Fadenaustritts definiert.

Die aufgrund der großen Strömungsgeschwindigkeiten in dieser transonischen Strömung und der hohen Reynoldszahlen wichtigen Turbulenzeffekte werden mit Hilfe eines spezielles Turbulenzmodells erfaßt. Da Anfahreffekte oder andere instationäre Einflüsse von untergeordneter Bedeutung sind, werden hier nur stationäre Strömungszustände berechnet.

 

Parameterstudie mit Variation

Die Durchführung der dreidimensionalen Simulationsrechnungen erfolgte mit dem kommerziellen Softwaretool CFX. Zur Beurteilung der verschiedenen Düsengeometrien wurde eine Parameterstudie mit Variation:

  • der Oberflächenrauhigkeiten,
  • der Fadengeschwindigkeit,
  • des Fadendurchmessers,
  • der Temperatur und
  • des Drucks der Luftzuführung durchgeführt.

Diese sind hinsichtlich der Optimierungsparameter Luftverbrauch, Fadenzugkraft und Drallwirkung ausgewertet und sollen in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner zur Verbesserung der Prozessparameter und der Düsengeometrie verwendet werden.

Exemplarisch werden in der Abbildung für zwei zueinander leicht modifizierte Düsengeometrien die Teilchenbahnen visualisiert, um die unterschiedliche Stärke des Dralls hinsichtlich der Verdrillung des Fadens zu verdeutlichen.

 

Projektart: Industrieprojekt
Projektpartner: NEUMAG, Neumünster