噴氣織機(jī)輔助噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 亮， 馮志華， 劉 帥， 陳 亮， 張曉飛

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)

噴氣織機(jī)輔助噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 亮， 馮志華， 劉 帥， 陳 亮， 張曉飛

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)

為尋求噴氣織機(jī)輔助噴嘴的最優(yōu)結(jié)構(gòu)以改善輔助噴嘴引緯的綜合性能，建立輔助噴嘴的三維模型，利用CFD軟件的Fluent對(duì)輔助噴嘴引緯流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到0.3 MPa供氣壓力下輔助噴嘴出口射流中心線的速度曲線、輔助噴嘴入口的質(zhì)量流，以及距離輔助噴嘴出口40 mm處截面上的速度分布。為驗(yàn)證輔助噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過引緯平穩(wěn)性、能耗和最大流速進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：錐角為6°的單孔輔助噴嘴綜合性能最優(yōu)，最大流速和引緯平穩(wěn)性分別提高了4. 4%和36. 7%；長(zhǎng)寬比為3. 3左右的矩形孔輔助噴嘴綜合性能最優(yōu)，引緯平穩(wěn)性提高了7. 3%；雙孔輔助噴嘴根據(jù)上述3種指標(biāo)獲得對(duì)應(yīng)指標(biāo)下的最優(yōu)組合以滿足實(shí)際引緯的不同要求。

輔助噴嘴； 數(shù)值模擬； 流場(chǎng)； 噴孔結(jié)構(gòu)； 噴氣織機(jī)

主、輔噴嘴與異形筘相結(jié)合的引緯方式是噴氣織機(jī)主流的引緯方式，在引緯過程中，輔助噴嘴保證緯紗順利通過梭口，是異形筘式噴氣織機(jī)進(jìn)行接力引緯的關(guān)鍵器件，但是用氣量約占整機(jī)氣耗量的3/4。噴氣織機(jī)的引緯質(zhì)量、引緯效率和能耗大小很大程度上受到輔助噴嘴結(jié)構(gòu)性能的影響，因此對(duì)噴氣織機(jī)輔助噴嘴性能的研究具有重要意義[1]。目前，對(duì)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究相對(duì)較少，主要集中在輔助噴嘴氣流流場(chǎng)的分析方面，如對(duì)不同孔型輔助噴嘴的噴出效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究[2]，各類輔助噴嘴的特點(diǎn)分析[3]，還有對(duì)不同結(jié)構(gòu)輔助噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)性質(zhì)研究[4]等。此外，文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)節(jié)能降耗方面對(duì)輔助噴嘴進(jìn)行研究分析，并提出了一些節(jié)能方案，對(duì)于降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

蘇州大學(xué)相關(guān)課題組對(duì)噴氣織機(jī)主噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部流場(chǎng)、噴射性能等方面進(jìn)行了研究[8-10]，并取得一些結(jié)論，同時(shí)對(duì)輔助噴嘴流場(chǎng)分析的研究也取得一定的成果[11-12]，此外，還在緯紗牽引方面進(jìn)行了相關(guān)的研究[13-14]，積累了關(guān)于利用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法研究噴嘴流場(chǎng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

本文在對(duì)輔助噴嘴現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)3種不同孔型輔助噴嘴的結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件Fluent對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑、入口的質(zhì)量流和最大流速3類指標(biāo)進(jìn)行綜合分析以確定最優(yōu)模型，從而實(shí)現(xiàn)引緯性能最優(yōu)化的目標(biāo)。

1 輔助噴嘴流場(chǎng)模型

1.1 輔助噴嘴

輔助噴嘴根據(jù)噴孔形狀和數(shù)量主要分為2類：圓形孔與非圓形孔。其中，圓形孔中有單孔、雙孔、五孔、九孔、十九孔等。非圓形孔中有矩形孔、星型孔等[1]。本文選取單圓孔、雙圓孔和矩形孔3種輔助噴嘴作為研究對(duì)象。

1.2 輔助噴嘴流場(chǎng)三維模型

本文以常用的3種輔助噴嘴作為優(yōu)化模型，根據(jù)其相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用三維軟件Pro/E建立輔助噴嘴流場(chǎng)模型。主要參數(shù)如下：噴射角為6°，入口直徑為3.2 mm，單孔噴孔直徑為1.5 mm，雙孔噴孔直徑分別為1.4、0.9 mm，雙孔兩圓的圓心距為1.9 mm；矩形面積為1.78 mm2，矩形孔長(zhǎng)寬比為3.6。圖1示出為雙孔輔助噴嘴流場(chǎng)三維模型。

建立輔助噴嘴流場(chǎng)三維模型后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到輔助噴嘴流場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用專業(yè)網(wǎng)格處理軟件Hypermesh來進(jìn)行劃分。雙孔輔助噴嘴的流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 單孔輔助噴嘴優(yōu)化

針對(duì)單孔輔助噴嘴集束性好，速度快，但對(duì)織物要求高，易拉斷緯紗的特點(diǎn)，將噴孔設(shè)計(jì)成帶有一定錐角θ的錐形噴孔，在保證噴射速度和能耗的前提下，可提高射流的平穩(wěn)性[12]，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本文在0.3 MPa供氣壓力下，通過錐角θ分別為1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°情況下輔助噴嘴的流場(chǎng)特性，根據(jù)距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑(選擇40 mm作為距離是基于輔助噴嘴中心速度與主噴嘴中心速度匯交的大致距離，選取速度大于80 m/s是因?yàn)樵撍俣仍诰嚯x噴口40 mm處截面速度相對(duì)穩(wěn)定[1])，以及入口的質(zhì)量流和最大流速來確定最優(yōu)模型。

2.2 雙孔輔助噴嘴優(yōu)化

在實(shí)際引緯過程中雙孔輔助噴嘴的射出能力好于單孔輔助噴嘴[3]。本文利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)雙孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在0.3 MPa供氣壓力下對(duì)其流場(chǎng)特性的研究來確定最優(yōu)模型，為雙孔輔助噴嘴的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供參考。

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)，在保證其余試驗(yàn)條件一致的情況下，將影響引緯性能的主要參數(shù)作為研究對(duì)象。本文選取雙孔輔助噴嘴的上圓孔直徑D1、下圓孔直徑D2、兩孔圓心距a為3個(gè)試驗(yàn)因素，如圖4所示每個(gè)因素均選取3種水平，如表1所示。將距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑、入口的質(zhì)量流和最大流速作為考察指標(biāo)。

mm

各因素以0.1 mm作為水平間差異的原因?yàn)椋?)實(shí)際噴孔加工通常采用電火花方法，目前電火花加工機(jī)精度普遍在±0.005 mm，高端進(jìn)口機(jī)型精度可達(dá)±0.002 mm，該水平差異設(shè)計(jì)能符合實(shí)際生產(chǎn)加工要求；2)考慮到對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，且高速氣流下微小的結(jié)構(gòu)變化都可能造成性能的波動(dòng)，故選擇較小的水平差異。

2.3 矩形孔輔助噴嘴優(yōu)化

矩形孔輔助噴嘴在國外噴氣織機(jī)上運(yùn)用較多，且針對(duì)該類輔助噴嘴的研究較少，因此對(duì)何種長(zhǎng)寬比矩形孔輔助噴嘴(如圖5所示)的引緯性能最優(yōu)的分析具有一定意義。本文在噴孔面積不變的情況下，改變其長(zhǎng)寬比值k(k分別取2.7、3.0、3.3、3.6、3.9)，研究0.3 MPa供氣壓力下的流場(chǎng)特性，根據(jù)距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑、入口的質(zhì)量流和最大流速來確定最優(yōu)模型。為進(jìn)一步說明最優(yōu)模型的長(zhǎng)寬比對(duì)矩形孔輔助噴嘴的設(shè)計(jì)具有一定的普遍性，選取噴孔面積為1.6、2.0、2.2 mm2的矩形輔助噴嘴，長(zhǎng)寬比k分別取2.7、3.0、3.3、3.6、3.9的情況下研究其流場(chǎng)特性來確定最優(yōu)模型，從而一定程度上驗(yàn)證該長(zhǎng)寬比的普遍性。

3 計(jì)算結(jié)果分析

相關(guān)文獻(xiàn)通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了噴氣織機(jī)輔助噴嘴引緯流場(chǎng)為高速氣流流場(chǎng)，其引緯流場(chǎng)流態(tài)呈現(xiàn)典型的可壓湍流流動(dòng)[11-12]，本文利用Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，將輔助噴嘴引緯流場(chǎng)看作高速可壓黏性流體，且采用基于密度的求解器，能夠獲得較為精確的運(yùn)算結(jié)果。

通過對(duì)0.3 MPa供氣壓力下的輔助噴嘴流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑r(引緯平穩(wěn)性)，入口的質(zhì)量流q(能耗)和最大流速v分析以尋求最優(yōu)模型。

以單孔輔助噴嘴為例，其具體分析數(shù)據(jù)如圖6所示。其中：由圖6(a)可得到其入口的質(zhì)量流q；圖6(b)示出了距離噴口40 mm處截面速度云圖；由圖6(c)可得到速度大于80 m/s的等效圓半徑r；由圖6(d)可得到最大流速v。

3.1 單孔輔助噴嘴結(jié)果分析

表2示出單孔輔助噴嘴在3種情形下不同錐角θ之間的比較結(jié)果。

表2 單孔輔助噴嘴性能分析Tab.2 Performance analysis of single-hole auxiliary nozzle

由表2可知：1)隨著錐角增大，等效圓半徑總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(除3°情況外)，錐角為6°時(shí)，等效圓半徑最大，半徑越大，說明對(duì)引緯時(shí)紗線穩(wěn)定性相對(duì)越好；2)入口的質(zhì)量流總體上隨著錐角增大而增加，錐角為7°時(shí)達(dá)到最大，質(zhì)量流的增加相當(dāng)于氣耗量的增加，從而說明能耗增加；3)出口最大流速一定程度上體現(xiàn)了輔助噴嘴的噴射速度性能，錐角變化初期最大流速相對(duì)穩(wěn)定，從3°開始呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢(shì)，且6°時(shí)達(dá)到最大。

綜合3個(gè)方面分析得出，錐角為6°時(shí)的輔助噴嘴模型相對(duì)最優(yōu)，雖然在能耗方面略微大于未優(yōu)化模型，相對(duì)增加了1.6%，但其最大流速性能和引緯平穩(wěn)性相對(duì)最優(yōu)，相對(duì)于未優(yōu)化模型分別提高了4.4%和36.7%。

3.2 雙孔輔助噴嘴結(jié)果分析

表3示出用正交試驗(yàn)法針對(duì)不同考察指標(biāo)進(jìn)行分析的試驗(yàn)結(jié)果以及極差分析。

由表3可知：1)在引緯平穩(wěn)性方面各因素影響程度大小順序?yàn)锳 > B > C，各因素水平分別以A3、B3和C2為最優(yōu)；2)在能耗方面各因素影響程度大小順序?yàn)锳 > B > C，各因素水平分別以A1、B1和C3為最優(yōu)；3)在最大流速方面各因素影響程度大小順序?yàn)锳 > C > B，各因素水平分別以A2、B1和C1為最優(yōu)。因此可得出在3種不同指標(biāo)下的最優(yōu)組合模型：引緯平穩(wěn)性最優(yōu)組合為A3B3C2；能耗最優(yōu)組合為A1B1C3；最大流速最優(yōu)組合為A2B1C1。

在實(shí)際引緯過程中，首先應(yīng)保證一定速度的氣流來快速牽引和傳遞緯紗。滿足引緯速度要求的前提下，盡可能降低氣體消耗。故優(yōu)先考慮的最優(yōu)組合為A2B1C1，其余2種最優(yōu)組合可根據(jù)實(shí)際引緯的不同要求來選取,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用性能最大化。

3.3 矩形孔輔助噴嘴結(jié)果分析

表4示出矩形孔輔助噴嘴(噴孔面積1.78 mm2)在不同長(zhǎng)寬比k之間的性能比較結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析表Tab.3 Results of orthogonal experiment and variance analysis

表4 矩形孔輔助噴嘴性能分析(噴孔面積1.78 mm2)Tab.4 Performance analysis of rectangle-hole auxiliary nozzle(nozzles areas 1.78 mm2)

由表4可知：1)k為3.3時(shí)等效圓半徑最大，其引緯平穩(wěn)性相對(duì)最好，k為3.9時(shí)次之，k為2.7時(shí)最差；2)k為3.3時(shí)質(zhì)量流最大，其能耗最大，k為3.6時(shí)能耗最?。?)最大流速隨k增加而減小(未優(yōu)化的輔助噴嘴情形除外)，其中k為2.7時(shí)流速最大，k為3時(shí)次之。

綜合3個(gè)方面分析得出，k為3.3左右時(shí)輔助噴嘴模型相對(duì)最優(yōu)。雖然其能耗較未優(yōu)化的輔助噴嘴(k為3.6)增加了3.3%，最大流速降低3%，但仍滿足引緯要求，重要的是其引緯平穩(wěn)性得到較大提升，增幅達(dá)7.3%，對(duì)引緯的質(zhì)量有較大提升。

為進(jìn)一步研究上述優(yōu)化后矩形孔輔助噴嘴的長(zhǎng)寬比k(k為3.3左右)對(duì)矩形孔輔助噴嘴具有一定的普遍性，采取與上述相同的優(yōu)化方案對(duì)噴孔面積為1.6、2.0、2.2 mm2的矩形孔輔助噴嘴進(jìn)行分析。

表5示出矩形孔輔助噴嘴(噴孔面積1.6 mm2)在不同長(zhǎng)寬比k之間的性能比較結(jié)果。

表5 矩形孔輔助噴嘴性能分析(噴孔面積1.6 mm2)Tab.5 Performance analysis of rectangle-hole auxiliary nozzle(nozzles areas 1.6 mm2)

綜合3個(gè)方面分析得出，k為3.3左右時(shí)輔助噴嘴模型和未優(yōu)化的輔助噴嘴(k為3.6)各方面性能比較接近(各方面性能的變化幅度都在1%左右)，且二者都優(yōu)于其他3種噴嘴模型。同時(shí)在一定程度上證明了矩形噴孔長(zhǎng)寬比k為3.3左右時(shí)對(duì)矩形孔輔助噴嘴具有一定普遍性。

表6示出矩形孔輔助噴嘴(噴孔面積2.0 mm2)在不同長(zhǎng)寬比k之間的性能比較結(jié)果。

表6 矩形孔輔助噴嘴性能分析(噴孔面積2.0 mm2)Tab.6 Performance analysis of rectangle-hole auxiliary nozzle(nozzles areas 2.0 mm2)

綜合3個(gè)方面分析得出，k為3.3左右時(shí)輔助噴嘴模型最優(yōu)。較未優(yōu)化的輔助噴嘴(k為3.6)各方面性能都有所提升，引緯平穩(wěn)性提高了9.6%，能耗降低了1.7%，最大流速提高了2.2%。同時(shí)在一定程度上證明了矩形噴孔長(zhǎng)寬比k為3.3左右時(shí)對(duì)矩形孔輔助噴嘴具有一定普遍性。

表7示出矩形孔輔助噴嘴(噴孔面積2.2 mm2)在不同長(zhǎng)寬比k之間的性能比較結(jié)果。

表7 矩形孔輔助噴嘴性能分析(噴孔面積2.2 mm2)Tab.7 Performance analysis of rectangle-hole auxiliary nozzle(nozzles areas 2.2 mm2)

綜合3個(gè)方面分析得出，k為3.3左右時(shí)輔助噴嘴模型最優(yōu)。較未優(yōu)化的輔助噴嘴(k為3.6)性能有所提升，引緯平穩(wěn)性提高了1.2%，能耗增加了0.3%，最大流速提高了1.7%。同時(shí)在一定程度上證明了矩形噴孔長(zhǎng)寬比k為3.3左右時(shí)對(duì)矩形孔輔助噴嘴具有一定普遍性。

4 結(jié) 論

1)0.3 MPa供氣壓力下錐角為6°的單孔輔助噴嘴和矩形噴孔長(zhǎng)寬比為3.3左右的矩形孔輔助噴嘴的綜合性能相對(duì)最優(yōu)，故對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的意義和可行性。

2)0.3 MPa供氣壓力下通過正交試驗(yàn)法獲得不同指標(biāo)下的最優(yōu)組合，可滿足實(shí)際引緯時(shí)的不同要求，提高效率，故此優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的意義和可行性。

3)基于Fluent的數(shù)值模擬方法應(yīng)用于輔助噴嘴引緯流場(chǎng)的研究是合理的，其分析結(jié)果為輔助噴嘴噴孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

FZXB

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Structure optimization design of auxiliary nozzle for air-jet loom

ZHANG Liang, FENG Zhihua, LIU Shuai, CHEN Liang, ZHANG Xiaofei

(College of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University, Suzhou, Jiangsu 215021, China)

In order to find optimal structure of the auxiliary nozzle in an air-jet loom to improve its comprehensive performance, a 3-D model of the auxiliary nozzle is developed, and the CFD software Fluent is used to digitally simulate the flow field of the auxiliary nozzle for weft insertion. When the supply air pressure is 0.3 MPa, the velocity distributions curve of the flow centerline at the exit of the auxiliary nozzle, the inlet mass flow rate, and the velocity distributions section which is 40 mm from the exit of the auxiliary nozzle are obtained. In order to verify the optimal structure design, the weft insertion stability, the energy consumption and the maximum flow rate are used to synthetically analyze. Results show that the single-hole auxiliary nozzle with a 6 degree angle performs best which increases the maximum flow rate and the weft insertion stability by 4.4% and 36.7%; the rectangle-hole auxiliary nozzle with a length-width ratio of about 3.3 which improves the weft insertion stability by 7.3% is the optimal model; and according to the above three indicators, the optimal model of 2-hole auxiliary nozzle under the corresponding indicator is obtained for different requirements of the actual weft insertion.

auxiliary nozzle; numerical simulation; flow field; nozzle structure; air-jet loom

10.13475/j.fzxb.20150401907

2015-04-15

2016-03-06

江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(09-4-22D)

張亮(1990 —)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)樾滦图徔棛C(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為及其控制。馮志華，通信作者，E-mail:zhfeng@suda.edu.cn。

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