基于FLUENT的三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鵬飛，王益軒，王永強(qiáng)，劉　靜，周　能，陳　雨

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

三維紡織復(fù)合材料因其質(zhì)量輕、造價(jià)低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域[1]；而三維織物作為紡織復(fù)合材料的增強(qiáng)體，其主要的生產(chǎn)機(jī)器有編織機(jī)、編織混合機(jī)、多劍桿織機(jī)、改進(jìn)型織機(jī)、立體織機(jī)等；但是，這些機(jī)器普遍存在效率低的缺陷，不能滿足當(dāng)今各行業(yè)對(duì)高性能復(fù)合材料的需求。

目前，國(guó)內(nèi)外多家研究單位已經(jīng)把CFD技術(shù)運(yùn)用到噴氣織機(jī)主、輔噴嘴的研究中；并對(duì)比CFD的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)基本接近，驗(yàn)證了CFD技術(shù)的可靠性[2-4]。

筆者基于ANSYS 17.0/Fluent CFD平臺(tái)，對(duì)三維多層噴氣引緯系統(tǒng)的異形筘氣流槽間距，第2層、第3層輔噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)進(jìn)行比較研究，設(shè)計(jì)了三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。

1　三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的原理及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1　原理

三維多層噴氣織機(jī)引緯原理如圖1所示[5-6]，主要由筘座、異形筘、輔噴嘴、主噴嘴等組成；主噴嘴把緯紗引入氣流槽內(nèi)，輔噴嘴會(huì)依次帶著緯紗繼續(xù)向前，直到緯紗被引到筘座的另一端為止；三維多層噴氣引緯系統(tǒng)采用上3層、下3層的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間為閉口(綜平)位置，可以同時(shí)引入6根緯紗，提高了三維織機(jī)的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)三維織物的快速織造。

1—x向經(jīng)紗線；2—綜框；3—筘座；4—輔噴嘴；5—z向經(jīng)紗線；6—織物；7—緯紗主噴嘴；8—異形筘。圖1　三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)原理

1.2　虛擬樣機(jī)

根據(jù)圖1，設(shè)計(jì)了參數(shù)化的三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，如圖2所示，它主要由主噴嘴、輔噴嘴、筘座、多層異形筘、機(jī)架墻板、橫梁等組成。為了結(jié)構(gòu)清晰，模型中略去了大量的輔噴嘴。與二維噴氣織機(jī)相同，把同一層兩個(gè)輔噴嘴的安裝距離(65 mm～75 mm)、輔噴嘴噴射角α(4°～12°)、噴向角β(3°～10°)、安裝角γ(10°～30°)、氣流槽中心距L(層間距變化為25 mm～50 mm)、輔噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)(隨著安裝角γ和氣流槽中心距L的變化而變化)等均作為虛擬樣機(jī)參數(shù)，以便進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖3所示。

1—上筘座；2—異形筘；3—下筘座；4—左側(cè)機(jī)架墻板；5—橫梁；6—右側(cè)機(jī)架墻板；7—主噴嘴；8—輔噴嘴。圖2　虛擬三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)樣機(jī)

a)　輔噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)

b)　多氣流槽異形筘片

1.3　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

三維多層噴氣織機(jī)采用上3層、下3層對(duì)稱結(jié)構(gòu)，我們僅需要確定3層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，就能完成整個(gè)引緯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包括異形筘氣流槽的間距L，第2層、第3層輔噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和輔噴嘴的安裝角γ等；其它參數(shù)我們均參考傳統(tǒng)二維噴氣織機(jī)，它們共同決定了三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的功能。

2　三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　異形筘

異形筘作為噴氣織機(jī)主要組成部件，其性能直接影響噴氣織機(jī)的引緯過(guò)程。圖3b)是參考GB/T 24382—2009《紡織機(jī)械與附件噴氣織機(jī)用異形筘尺寸》設(shè)計(jì)的三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)中的異形筘筘片，其兩氣流槽中心間距L不但影響引緯，而且關(guān)系到輔噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。筆者根據(jù)同一層輔噴嘴噴口距離為65 mm(最初設(shè)計(jì)的多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)中同一層2個(gè)輔噴嘴間的距離)處，不考慮筘片和經(jīng)紗的情況下，兩層氣流的匯交速度小于5 m/s，以及噴氣織機(jī)開(kāi)口高度等因素，設(shè)計(jì)合理的筘氣流槽中心間距。

2.1.1輔噴嘴外流場(chǎng)三維模型

一般，單層輔噴嘴外流場(chǎng)計(jì)算域是直徑范圍為15 mm～20 mm，長(zhǎng)度范圍為65 mm～80 mm的圓柱體[3，7]。為了更好地比較單、雙層之間外流場(chǎng)的速度變化，本文中單層輔噴嘴外流場(chǎng)計(jì)算域是寬和高均為20 mm、長(zhǎng)為80 mm的長(zhǎng)方體,如圖4a)所示；雙層輔噴嘴外流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)80 mm、寬20 mm、高隨著輔噴嘴筘槽中心間距L不斷變化的長(zhǎng)方體(變化在45 mm～70 mm)，如圖4b)所示；考慮到層間氣流會(huì)互相影響及開(kāi)口高度的因素，設(shè)計(jì)雙層輔噴嘴出口中心間距分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm的外流場(chǎng)模型。

a)　單層輔噴嘴外流場(chǎng)　　　b)　雙層輔噴嘴外流場(chǎng)圖4　外流場(chǎng)計(jì)算域三維模型

2.1.2輔噴嘴外流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ANSYS/Workbench中自帶的meshing模塊，組合了Hex Dominant和sizing兩種方法對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證了網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量，使數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率更高。

2.1.3氣流槽間距計(jì)算結(jié)果及分析

噴氣織機(jī)的射流為高速、可壓、黏性流體，故選擇idea-gas作為流體材料。設(shè)置噴嘴的入口為壓力入口，表壓為0.3 MPa，初始?jí)毫?.297 MPa；外部流場(chǎng)為出口，壓力設(shè)為0 Pa；工作環(huán)境壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[3，8]。通過(guò)對(duì)單層輔噴嘴與雙層不同氣流槽中心間距(垂直方向)輔噴嘴的射流中心速度和距噴口(水平引緯方向)65 mm處垂直射流方向速度進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)最佳氣流槽中心間距，計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖5可知,不同氣流槽中心間距的雙層輔噴嘴與單層輔噴嘴的射流中心速度變化基本相同。

由圖6可知，雙層輔噴嘴出口中心間距越大，兩股氣流在噴口65 mm處匯交速度就越??；當(dāng)雙層輔噴嘴中心間距不小于35 mm時(shí)，雙層輔噴嘴在噴口65 mm處兩股氣流的匯交速度小于5 m/s；當(dāng)輔噴嘴中心間距不小于45 mm時(shí)，雙層輔噴嘴在噴口65 mm處兩股氣流的匯交速度變化較小，保持匯交速度不大于1 m/s。

圖5　單層與雙層不同氣流槽中心間距輔噴嘴速度曲線

圖6　雙層不同氣流槽中心間距輔噴嘴在距噴口65 mm處速度曲線

a)　速度云圖

b)　速度矢量圖

由圖7可知，在引緯的后半段產(chǎn)生了比較明顯的氣流匯交，但是，當(dāng)兩股速度相同、強(qiáng)度相同的氣流匯交后，會(huì)向著空間中各個(gè)方向擴(kuò)散，氣流的強(qiáng)度會(huì)迅速降低，特別是氣流的匯交速度遠(yuǎn)小于引緯氣流時(shí)，幾乎不會(huì)影響到引緯中心氣流。

綜上3個(gè)方面的分析以及織機(jī)開(kāi)口動(dòng)程、滿足順利引緯的開(kāi)口高度、能耗等因素，得出輔噴嘴出口中心(氣流槽中心間距)最佳間距為35 mm～45 mm，也就是兩層筘氣流槽中心最佳間距為35 mm～45 mm。

2.2　第2、3層輔噴嘴結(jié)構(gòu)

2.2.1第2、3層輔噴嘴外流場(chǎng)模型

第1層輔噴嘴，采用同二維噴氣織機(jī)相同的單圓孔輔噴嘴模型；第2、3層輔噴嘴長(zhǎng)度分別為68 mm、102 mm，根據(jù)第1步分析中得出的兩層輔噴嘴出口中心間距為35 mm～45 mm(選擇35 mm作為兩氣流槽間的距離進(jìn)行相關(guān)研究)以及初步安裝角(2、3層輔噴嘴安裝角分別為20°、15°)確定的，并且采用和第1層相同的噴射角(為8°)和出口形狀是單圓孔的輔噴嘴。

如何把增加的長(zhǎng)度合理地分配到輔噴嘴的頂端、喉部、末端(如圖8所示)，關(guān)系到引緯的效率和能耗問(wèn)題。筆者通過(guò)把長(zhǎng)度僅加在末端、僅加在喉部位置等7種分配方法，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的輔噴嘴模型。為了把不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的輔噴嘴模型同第1層輔噴嘴的射流中心速度進(jìn)行比較，建立了同上述分析中單層輔噴嘴,即傳統(tǒng)的二維噴氣織機(jī)單圓孔輔噴嘴相同的外流場(chǎng)模型。

圖8　輔噴嘴

2.2.2輔噴嘴外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

為了保證計(jì)算過(guò)程的一致性，并且便于比較，采用了同上述分析中相同的網(wǎng)格劃分方法、流體材料和邊界條件。第1層輔噴嘴為單圓孔結(jié)構(gòu)(與傳統(tǒng)二維噴氣織機(jī)相同)；第2層輔噴嘴同樣也為單圓孔結(jié)構(gòu)，只是長(zhǎng)度有所不同，計(jì)算結(jié)果如圖9～12所示。

由圖9、圖10可知，在相同的邊界條件下，在第2層輔噴嘴7種結(jié)構(gòu)中，除了末端和喉部位置均分這種結(jié)構(gòu)在2 mm～20 mm區(qū)間射流中心速度小于傳統(tǒng)單圓孔輔噴嘴外，其余的基本與傳統(tǒng)單圓孔射流中心速度重合?？紤]到輔噴嘴的制造工藝和加工成本等因素，最終選定僅加長(zhǎng)末端這種結(jié)構(gòu)作為第2層輔噴嘴。

圖9　第2層輔噴嘴與傳統(tǒng)單圓孔輔噴嘴射流中心速度曲線

圖10　第2層加長(zhǎng)末端結(jié)構(gòu)的輔噴嘴速度云圖

圖11　第3層輔噴嘴與傳統(tǒng)單圓孔輔噴嘴速度曲線

圖12　第3層喉部和末端均分結(jié)構(gòu)的輔噴嘴速度云圖

由圖11、圖12可知，在相同的邊界條件下，在第3層輔噴嘴的7種結(jié)構(gòu)中，僅有末端與喉部均分的結(jié)構(gòu)在0 mm～20 mm，射流中心的速度與單圓孔輔噴嘴基本相同，其它結(jié)構(gòu)在這個(gè)區(qū)間速度均較??；因此，最終選定喉部和末端均分這種結(jié)構(gòu)作為第3層輔噴嘴。

2.3　輔噴嘴安裝參數(shù)

2.3.1輔噴嘴組合流場(chǎng)三維模型

輔噴嘴主要承擔(dān)傳送緯紗的作用，其性能的好壞決定了引緯的成敗和引緯的能耗、效率等。輔噴嘴的性能優(yōu)劣受到諸多因素，如噴射角α、噴向角β、安裝角γ、輔噴嘴出口中心到氣流槽邊緣距離B等因素決定，如圖2所示。三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)第1層輔噴嘴采用二維噴氣織機(jī)的安裝參數(shù)，且第2層、第3層輔噴嘴的噴向角β(6°)和輔噴嘴出口中心到氣流槽邊緣距離B(10 mm)，均參考傳統(tǒng)二維噴氣織機(jī)的參數(shù)[2-3]。筆者僅對(duì)第2層、第3層輔噴嘴的安裝角與傳統(tǒng)的二維噴氣織機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析研究。

為了在綜框閉口時(shí)，緯紗能夠順利地到達(dá)綜平的位置，三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的4、5、6層和二維噴氣織機(jī)的氣流槽結(jié)構(gòu)基本相同，而1、2、3層采用反氣流槽結(jié)構(gòu)，如圖3b)所示。因此，建立的輔噴嘴組合流場(chǎng)三維模型與傳統(tǒng)的二維噴氣織機(jī)的組合流場(chǎng)模型不同。考慮到異形筘由多個(gè)筘齒疊加而成，且筘齒間有間隙而網(wǎng)格劃分難度大，不易數(shù)值模擬，筆者對(duì)異形筘做壁面處理，忽略筘片間隙以減少運(yùn)算量，而且不影響計(jì)算結(jié)果[9-11]。

2.3.2輔噴嘴最優(yōu)安裝參數(shù)

輔噴嘴安裝參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果及分析數(shù)值運(yùn)算，運(yùn)用了同上述分析中相同的流體材料和邊界條件。由于輔噴嘴的射流中心在氣流槽中不斷變化，以距氣流槽內(nèi)壁為2 mm射流方向垂直平面的位置作為度量[3，12]，采用上述分析中得到的第2、第3層輔噴嘴，改變輔噴嘴的安裝角，分別以10°、15°、20°、25°、30°這5種不同的角度與第1層輔噴嘴做比較，設(shè)計(jì)最優(yōu)的安裝角度，分析結(jié)果如圖13～圖16所示。

由圖13～圖16可知，在相同的邊界條件下，第2層、第3層不同安裝角度的輔噴嘴，在距氣流槽內(nèi)壁2 mm的平面上，其速度曲線與二維噴氣織機(jī)輔噴嘴變化趨勢(shì)大致相同。第2層安裝角為20°時(shí)，速度曲線變化最接近二維噴氣織機(jī)的速度曲線；第3層安裝角為25°時(shí)，速度變化曲線最接近二維噴氣織機(jī)的速度曲線。筆者最終選定第2層輔噴嘴安裝角為20°，第3層安裝角為25°。

圖13　距氣流槽內(nèi)壁2 mm平面上不同安裝角的第2層輔噴嘴與二維噴氣織機(jī)輔噴嘴速度曲線

圖14　距氣流槽邊緣2 mm平面上安裝角為20°、第2層輔噴嘴速度云圖

圖15　距氣流槽內(nèi)壁2 mm平面上不同安裝角的第3層輔噴嘴與二維噴氣織機(jī)輔噴嘴速度曲線

圖16　氣流槽內(nèi)壁2 mm平面上安裝角為25°、第3層輔噴嘴速度云圖

3　結(jié)論

3.1在不考慮經(jīng)紗和筘齒的情況下，雙層輔噴嘴中心間距不小于35 mm時(shí)，在距噴口65 mm處位置，兩股氣流的匯交速度小于5 m/s；雙層輔噴嘴中心間距不小于45 mm時(shí)，在距噴口65 mm處位置，兩股氣流的匯交速度基本不變，保持在不大于1 m/s。

3.2第2層輔噴嘴7種結(jié)構(gòu)中，僅加長(zhǎng)末端的結(jié)構(gòu)不但與傳統(tǒng)單圓孔射流中心速度重合，而且它的制造工藝和加工成本比其他結(jié)構(gòu)要求更低；第3層輔噴嘴的7種結(jié)構(gòu)中，僅有末端和喉部均分的結(jié)構(gòu)射流中心速度與單圓孔輔噴嘴在整個(gè)射流過(guò)程中基本相同。

3.3第2層、第3層輔噴嘴安裝角分別為20°、25°時(shí)，在距氣流槽內(nèi)壁2 mm平面上，速度變化曲線最接近二維噴氣織機(jī)。

3.4應(yīng)用CFD技術(shù)與三維軟件結(jié)合方法，設(shè)計(jì)的虛擬三維多層噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)樣機(jī)，為后續(xù)物理樣機(jī)的研發(fā)節(jié)省了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。