基于ANSYS/Fluent的主噴嘴外流場(chǎng)分析

劉　育，王益軒，姚　超，劉婷婷，王　瑤

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安　710048)

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基于ANSYS/Fluent的主噴嘴外流場(chǎng)分析

劉育，王益軒，姚超，劉婷婷，王瑤

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710048)

為獲得噴氣織機(jī)穩(wěn)定的引緯氣流，提高噴氣織造的效果，根據(jù)主噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)噴氣織機(jī)用主噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴氣引緯系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)建立三維模型并用ANSYS/Fluent進(jìn)行仿真，對(duì)不同主噴嘴出口直徑和速度下的自由紊動(dòng)射流流場(chǎng)進(jìn)行了詳盡的圖形分析和數(shù)值模擬計(jì)算。指出：主噴嘴采用直徑為4 mm～6 mm的小噴口，可獲得更加穩(wěn)定的引緯氣流；主噴嘴外流場(chǎng)的射流噴口直徑與異形筘的安裝位置和氣流槽高度相關(guān)；數(shù)值模擬與理論解吻合較好，可為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

噴氣織機(jī)；引緯；主噴嘴；輔噴嘴；噴口；直徑；氣流；射流；紊流；ANSYS/Fluent

0　引言

引緯機(jī)構(gòu)是噴氣織機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其性能很大程度決定噴氣織造的效果。噴氣引緯，是利用高速流動(dòng)的空氣對(duì)紗線(xiàn)表面產(chǎn)生的摩擦力將紗線(xiàn)引過(guò)梭口。引緯時(shí)，主噴嘴將高速壓縮空氣噴向異形筘氣流槽，筘座上以適當(dāng)?shù)拈g距安裝多個(gè)輔噴嘴，相繼向氣流槽內(nèi)噴射補(bǔ)充氣流，主噴嘴氣流和輔噴嘴氣流交匯形成的高速氣流使緯紗順利引過(guò)梭口。輔噴嘴數(shù)量和安裝間距取決于筘幅和緯紗特性。

筆者研究主噴嘴產(chǎn)生的流場(chǎng)，也就是由導(dǎo)紗管?chē)娚涞耐饬鲌?chǎng)特性，對(duì)主噴嘴外流場(chǎng)的展開(kāi)是在未考慮異形筘影響的前提下進(jìn)行的；而異形筘限流下有限空間的紊動(dòng)射流，是個(gè)非常復(fù)雜的紊動(dòng)流場(chǎng)問(wèn)題，目前在理論上還不太成熟，大多根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成工程實(shí)用的曲線(xiàn)供使用參考，在此不作論述。

1　主噴嘴結(jié)構(gòu)

如圖1所示，主噴嘴由噴嘴芯A、噴嘴體B、導(dǎo)紗管C組成。高速氣流從入口進(jìn)入主噴嘴，經(jīng)過(guò)環(huán)形氣室及整流槽后，高速氣流由湍流變?yōu)檠刂本€(xiàn)流動(dòng)的層流氣流；特別設(shè)計(jì)的整流器與噴嘴體共同構(gòu)成沿周向均勻分布的整流條槽，通常有4條～24條之多[1]；層流氣流經(jīng)過(guò)亞音速加速區(qū)、錐形套后，氣流速度再次得到提高；在通過(guò)喉部、喉部出口后，速度達(dá)到最大至接近或超過(guò)音速，并依靠緯紗在引射區(qū)內(nèi)形成的負(fù)壓區(qū)，外界大氣攜帶緯紗進(jìn)入緯紗加速區(qū)；高速氣流攜帶緯紗在導(dǎo)紗管內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，使緯紗達(dá)到引緯要求的速度。

2　主噴嘴外流場(chǎng)有限元模型建立

對(duì)噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)主噴嘴的外流場(chǎng)，建立貼近實(shí)際情況的三維模型，即分別建立直徑為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm模型，同時(shí)在150 m/s、200 m/s、250 m/s、300 m/s、350 m/s的射流速度下，使用ANSYS/Fluent進(jìn)行仿真分析，具體如下。

a)幾何模型，只研究主噴嘴的外流場(chǎng)即從導(dǎo)紗管出來(lái)以后的自由射流區(qū),使用Pro/E建立三維模型，保存為IGES文件格式，確保模型數(shù)據(jù)能夠傳入ANSYS/Fluent軟件。

b)網(wǎng)格劃分，使用ICEM CFD，采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格如圖2所示，單元數(shù)量為89萬(wàn)。網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)如下：0.85～1.00(79.417%)、0.70～0.85(18.684%)、0.65～0.70(1.899%)的網(wǎng)格質(zhì)量在0.65以上，該三維模型網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿(mǎn)足求解精度和收斂要求。文中其他直徑入口的三維模型網(wǎng)格，類(lèi)型與上述一致、網(wǎng)格質(zhì)量基本相同。

c)邊界條件，入口類(lèi)型為速度入口，取5種不同速度；出口類(lèi)型為壓力出口，大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其他為壁面。

d)求解器與計(jì)算模型，采用基于壓力的SIMPLE求解器,標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型。

e)材料設(shè)置，主噴嘴外流場(chǎng)為空氣。

3　主噴嘴外流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果

在紊流自由射流條件下，不同噴射速度對(duì)不同直徑的主噴嘴外流場(chǎng)進(jìn)行模擬，求解使用后處理軟件提取數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如下。

3.1射流軸向速度及紊流強(qiáng)度

直徑分別為 4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm的噴口，在射流速度為150 m/s、200 m/s、250 m/s、300 m/s、350 m/s下的射流軸向速度分布和紊流強(qiáng)度分布如圖3～圖12所示。

由圖3～圖12可知，氣流從噴口噴出，在紊流強(qiáng)度達(dá)到最大值之前，氣流沿軸向速度衰減變化不大，適合于引緯。計(jì)算出主噴嘴不同出口直徑和速度下，達(dá)到預(yù)定引緯速度的最佳軸向距離(從噴口到紊流強(qiáng)度達(dá)到最大值之前位置的軸向距離)，見(jiàn)表1。超出此最佳軸向距離時(shí)，氣流將很快衰減，不能達(dá)到預(yù)定的引緯速度，則必須沿著主噴嘴射流軸向加裝輔噴嘴[2]。

由圖3～圖12可知，不同直徑噴口中心軸向速度和紊流強(qiáng)度的變化，表明在噴口附近出口的速度有所升高，接著速度有一小段下降，之后持續(xù)下降。

表1　預(yù)定引緯速度下主噴嘴射流的最佳距離范圍　單位：m

利用氣體動(dòng)力學(xué)理論可以較好地解釋——出口處的氣體由于膨脹而速度升高、產(chǎn)生膨脹波；膨脹波在自由邊界中會(huì)反射出壓縮波,壓縮波作用于膨脹波，會(huì)使速度下降[3]。與此對(duì)應(yīng)的紊流強(qiáng)度，在噴口附近的射流核心區(qū)變化很小，之后持續(xù)上升達(dá)到峰值后持續(xù)下降。對(duì)于紊流強(qiáng)度的變化，根據(jù)射流理論，射流從噴嘴出口處射出以后形成核心區(qū)，其動(dòng)量、速度最大，紊流強(qiáng)度很小[4]；靠近射流核心區(qū)的邊界層不斷與周?chē)橘|(zhì)進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量交換，帶動(dòng)了周?chē)瓉?lái)靜止?fàn)顟B(tài)的氣體，因而自身動(dòng)量減小、速度逐漸緩慢、紊流強(qiáng)度增大，達(dá)到最大值；當(dāng)邊界層與周?chē)橘|(zhì)質(zhì)量、動(dòng)量交換減少時(shí)，紊流強(qiáng)度減小；最后，射流能量全部消失而無(wú)質(zhì)量、動(dòng)量交換時(shí)，紊流強(qiáng)度趨于穩(wěn)定值。

由表 1可知，直徑為4 mm、5 mm、6 mm噴口軸向位置在0.03 m～0.06 m，但直徑為7 mm、8 mm的軸向位置范圍變化較大，為0.037 m～0.092 m。對(duì)于直徑為7 mm、8 mm的噴口，其射流核心區(qū)較大，質(zhì)量、動(dòng)量也較大，邊界層與周?chē)橘|(zhì)質(zhì)量、動(dòng)量交換時(shí)的能量損失較小，中心軸向速度下降緩慢；但速度波動(dòng)較大，同時(shí)氣耗也增加。大直徑射流出口，對(duì)不同速度的射流集束性較差，不利于緯紗的穩(wěn)定飛行；且其出口紊流強(qiáng)度峰值大于小口徑射流，與小口徑出口相比，峰值位置遠(yuǎn)離噴口位置。

3.2射流核心區(qū)的長(zhǎng)度

直徑為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm噴口射流核心區(qū)的長(zhǎng)度(云圖下方的深色區(qū))分別如圖13～圖17所示。

由圖13～圖17可知，射流核心區(qū)的長(zhǎng)度與噴口直徑有關(guān)，隨噴口直徑增加而增大，這與自由射流理論一致。不同出口直徑的核心區(qū)位置不同，在滿(mǎn)足噴氣織機(jī)對(duì)引緯速度要求時(shí)，射流軸向位置會(huì)有所不同，也就是說(shuō)射流在異形筘氣流槽內(nèi)的軸向位置不同。

3.3射流截面處的射流錐直徑

分別取距離φ4 mm噴口射流軸向0.002 m、0.007 m、0.012 m、0.017 m、0.022 m的截面，其射流錐直徑如圖18～圖22所示。其他直徑的噴口也完全遵循自由射流理論，這里就不再敘述。

由圖18～圖22可知，射流錐直徑與噴口直徑和距離噴口的位置有關(guān)，隨噴口直徑和位置增加而增大，這與自由射流理論一致。當(dāng)噴口直徑一定時(shí)，距離噴口不同位置的射流錐大小不同。對(duì)不同的異形筘氣流槽高度，在距離同一噴口位置，獲得不同的射流流量；對(duì)相同的異形筘氣流槽高度，在距離噴口的不同位置，同樣也獲得不同的射流流量。其他噴口直徑的射流錐，其變化規(guī)律與本文論述一致，在此不再贅述。

4　數(shù)值模擬計(jì)與理論解的比較

5　結(jié)論

5.1主噴嘴外流場(chǎng)采用直徑為4 mm～6 mm的小噴口射流直徑，可獲得更加穩(wěn)定的引緯氣流，更適合引緯。在達(dá)到對(duì)噴氣織機(jī)要求為80 m/s～120 m/s引緯速度時(shí)，小直徑噴口射流都落在距離噴口軸線(xiàn)位置為0.03 m～0.06 m內(nèi)，這可以對(duì)輔噴嘴的安裝位置提供一定的參考。

5.2主噴嘴外流場(chǎng)的射流噴口直徑與異形筘的安裝位置和氣流槽高度相關(guān)，合適的位置和槽高，能更好地利用出口的速度引緯，使射流流量盡量多的射入異形筘氣流槽內(nèi)。

5.3數(shù)值模擬與理論解吻合較好，說(shuō)明數(shù)值模擬的合理性，可為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

[1] 路翔飛.噴氣織機(jī)主噴嘴的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化及噴射性能分析[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

[2] 劉丁丁.噴氣織機(jī)引緯流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究及主噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2012.

[3] 董志勇.射流力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[4] 汪旺.噴氣織機(jī)輔助噴嘴及合成氣流場(chǎng)的數(shù)值仿真[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2012.

[5] 張國(guó)平.噴氣織機(jī)引緯原理與工藝[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2005.

[6] 陳文義,張偉.流體力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2004.

Analysis of the External Flow Field of the Main Nozzle Based on ANSYS/Fluent

LIU Yu,WANG Yixuan,YAO Chao,LIU Tingting,WANG Yao

(College of Mechanical and Electrical Engineering Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

To obtain a stable weft-in flow on the air-jet loom,and to improve the effect of the air-jet weaving,according to the structure of main nozzle of air-jet loom,the jet weft-in system is optimized.Through the establishment of 3D model and ANSYS/Fluent simulation of different primary nozzle exit diameter and velocity of free turbulent dynamic jet flow field were discussed in details with graphics analysis and numerical simulation.It is pointed out that the main nozzle with a diameter of 4 mm～6 mm can get more stability of weft-in flow.The main nozzle diameter of the outside flow and the installation position of the profiled reed and the airflow grooves are highly correlated.The numerical simulation and theoretical solution are in good agreement,providing guidance for the follow-up study.

air-jet loom;weft-in;main nozzle;auxiliary nozzle;nozzle;diameter;flow;jet;turbulent flow;ANSYS/Fluent

2016-03-27

陜西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GY137)

劉育(1984—)，男，陜西乾縣人，碩士，主要從事機(jī)械CAD/CAE/CAM及虛擬樣機(jī)的研究。

TS103.33

A

1001-9634(2016)04-0005-06