基于Fluent的噴氣織機輔助噴嘴綜合性能

胥光申， 孔雙祥， 劉 洋， 羅時杰

(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

輔助噴嘴作為噴氣織機的關鍵部件，負責將緯紗接力并送過梭口，其耗氣量占整機的75%左右，輔助噴嘴性能直接影響了噴氣織機的引緯質量和能耗[1-2]。輔助噴嘴性能主要取決于結構及其參數(shù)，因此，其結構優(yōu)化研究對于提高噴氣織機整機性能及降低能耗具有重要意義。

為提升輔助噴嘴的性能，國內外學者在輔助噴嘴的噴射流場數(shù)值分析、結構優(yōu)化及性能測試等方面開展了深入研究。Meulemeester等[3]利用數(shù)值仿真技術對輔助噴嘴流場進行模擬，利用高速攝影機對模擬結果進行了驗證；譚保輝等[4]利用Fluent軟件對輔助噴嘴流場進行數(shù)值模擬，分析了供氣壓力和出口風速間的關系；文獻[5-6]對單孔輔助噴嘴的結構優(yōu)化進行了研究；Belforte 等[7]對不同內部結構的輔助噴嘴進行測試發(fā)現(xiàn)，單圓孔輔助噴嘴具有較好的集束性；G?ktepe 等[8]提出在滿足引緯的條件下，通過減小輔助噴嘴出口孔徑和噴射時間，可有效地減少耗氣量。但關于輔助噴嘴結構參數(shù)、噴孔數(shù)目及噴孔分布方式對輔助噴嘴性能影響的系統(tǒng)研究較少。

為提高噴氣織機輔助噴嘴噴射性能并降低耗氣量，本文利用Fluent軟件對不同孔數(shù)、相同孔數(shù)不同孔徑以及相同孔數(shù)不同分布方式的輔助噴嘴的噴射特性和耗氣量進行了系統(tǒng)研究；通過對不同結構輔助噴嘴綜合性能對比，得出綜合性能優(yōu)良的輔助噴嘴結構。

1 輔助噴嘴結構

按照噴孔數(shù)量，輔助噴嘴可分為單孔輔助噴嘴和多孔輔助噴嘴，多孔輔助噴嘴的主要類型有：雙圓孔、三圓孔、四圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔等。圖1示出單圓孔輔助噴嘴的結構模型圖，其入口直徑為3.2 mm，噴射角為4°，過渡區(qū)長度為 10 mm，壁厚為0.4 mm。

圖1 輔助噴嘴3-D模型圖Fig.1 3-D View of auxiliary nozzle

本文以該單圓孔輔助噴嘴為基礎，保持輔助噴嘴噴孔(直徑為1.5 mm)面積不變，確定各輔助噴嘴噴孔結構參數(shù)，研究在噴孔面積相等的條件下，不同孔數(shù)、孔徑及噴孔排布方式等結構參數(shù)對輔助噴嘴噴射性能及耗氣量的影響規(guī)律。

圖2示出三圓孔型輔助噴嘴噴孔的排布方式示意圖。3個噴孔直徑相等，均為0.866 mm。3孔以上的輔助噴嘴可分二類分布方式(以四圓孔為例)：一類為等大噴孔環(huán)形分布(見圖3(a))；另一類為中心環(huán)形分布(見圖3(b))，此種方式又因孔的大小不同而有所不同，具體分類命名及參數(shù)見表1。

圖2 噴孔排布方式Fig.2 Distribution of injector orifice.(a) Style of 3KX; (b)Style of 3KS

圖3 二類分布方式Fig.3 Two kinds of distribution.(a)Annular distribution;(b) Cental circular distribution

四圓孔類型名稱代號直徑說明等大環(huán)形孔4×Φ0.75mm4個孔直徑相等,環(huán)形分布等大中心孔3×Φ0.75 mm+Φ0.75 mm4個孔直徑相等,中心環(huán)形分布4K033×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm周邊3個孔直徑為0.3 mm,中心孔直徑為1.407 mm4K043×Φ0.4 mm+Φ1.330 mm周邊3個孔直徑為0.4 mm,中心孔直徑為1.330 mm4K053×Φ0.5 mm+Φ1.225 mm周邊3個孔直徑為0.5 mm,中心孔直徑為1.225 mm4K063×Φ0.6 mm+Φ1.082 mm周邊3個孔直徑為0.6 mm,中心孔直徑為1.082 mm4K073×Φ0.7 mm+Φ0.883 mm周邊3個孔直徑為0.7 mm,中心孔0.883 mm

由表1可知，噴孔直徑是按照直徑為1.5 mm的單孔圓形輔助噴嘴噴孔面積確定的。表中3×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm代表中心環(huán)形分布的四圓孔輔助噴嘴，其周邊3個噴孔直徑為0.3 mm，中心噴孔直徑為1.407 mm。本文涉及到的其他多孔輔助噴嘴的分布方式命名規(guī)則與四圓孔輔助噴嘴類似。

2 輔助噴嘴數(shù)值模擬的前處理

以單圓孔輔助噴嘴為例說明三維流場模型的建立、網格劃分、邊界條件定義及邊界條件設定等前處理工藝，其他類型輔助噴嘴前處理方式與之一致。

2.1 三維流場模型建立

由于輔助噴嘴三維流場模型較為復雜，利用Fluent前處理軟件Gambit難以精確建立其幾何流場模型，本文利用 Solidworks 軟件建立了輔助噴嘴的三維流場模型，如圖4所示。因輔助噴嘴三維流場模型較為對稱，本文只建立一半的流場，以提高計算效率。鑒于射流擴散較快及氣流作用于緯紗的牽引長度較短，在Solidworks軟件中建立了噴嘴的內部流場和長度為70 mm的外部流場，外部流場直徑為17 mm。

圖4 輔助噴嘴流場模型Fig.4 Flow field of auxiliary nozzle

2.2 網格劃分與邊界條件設定

采用Hypermesh對輔助噴嘴三維流場模型進行網格劃分，如圖5所示。采用四面體網格，并對輔助噴嘴流場較為復雜的噴孔處的網格進行了加密細化處理，最終生成網格數(shù)約為64萬個。

圖5 網格劃分Fig.5 Grid meshing

將劃分好的網格導入Gambit中進行邊界定義，輔助噴嘴流場模型涉及到的邊界主要有壓力出口(pressure-outlet)、壓力入口(pressure-inlet)、對稱面(symmetry)、壁面(wall)等。輔助噴嘴入口定義為壓力入口，輔助噴嘴出口處的外部流場定義為壓力出口，輔助噴嘴的對稱面為對稱邊界條件，其余為壁面。邊界定義結果如圖6所示。由于本文在 0.3 MPa下進行數(shù)值模擬，因此，壓力入口氣壓設為 0.3 MPa。在供氣壓力為0.3 MPa下，計算出輔助噴嘴入口處湍動耗散率ε為8 428.8 m2/s3，湍動能k為5.019 2 m2/s2，溫度設置為293 K[9-10]。壓力出口總壓設置為101.325 kPa，其中壁面和對稱面均為默認設置。

圖6 輔助噴嘴流場模型邊界定義Fig.6 Boundary definition of flow field of auxiliary nozzle

2.3 求解器與計算模型

考慮到噴氣織機輔助噴嘴氣流引緯速度高，為使求解能較好地收斂，同時因文中流場氣流材料為理想氣體，因此，本文采用密度基隱式求解器進行計算，采用RNG k-ε雙方程模型。

3 噴氣織機輔助噴嘴性能評價指標

輔助噴嘴的性能評價通常是通過對其最大出口風速、實際氣流中心線上的速度衰減以及耗氣量分析實現(xiàn)的[11]。實際生產中對輔助噴嘴既要求有良好的噴射性能，又要求有較低的耗氣量，具有良好的綜合性能。

現(xiàn)行的輔助噴嘴的評價方法，僅對輔助噴嘴的部分性能進行評估，無法對輔助噴嘴的綜合性能做出全面的量化評價，不利于根據(jù)綜合性能對輔助噴嘴進行優(yōu)化。為此，本文提出利用輔助噴嘴氣流中心線上速度積分與耗氣量的比值，對輔助噴嘴綜合性能進行量化評價的新方法。

輔助噴嘴氣流中心線上速度積分可衡量輔助噴嘴的噴射性能：速度積分越大，表明輔助噴嘴氣流的整體速度越高；衰減越緩慢，表明輔助噴嘴有較好的噴射性能。輔助噴嘴氣流中心線上速度積分S可由下式計算得到：

式中：xi為距噴嘴出口的距離，m；f(xi)為距噴嘴出口xi處的氣流速度，m/s；ξi為氣流中心線上相鄰2點的間距，m。即

ξi=xi+1-xi

氣流中心線上速度積分與耗氣量的比值可反映輔助噴嘴的綜合性能，比值大，表明輔助噴嘴噴射速度高，耗氣量低，綜合性能越好。

輔助噴嘴綜合性能指標的量化值可記為K(m-1)，由下式可得：

式中，Q為輔助噴嘴的耗氣量，m3/h。

4 數(shù)值模擬結果分析

4.1 四圓孔輔助噴嘴流場分析

4.1.1對稱面上速度云圖

圖7示出供氣壓力為0.3 MPa時，四圓孔輔助噴嘴在對稱面上的速度分布云圖?？梢钥吹阶杂缮淞鞯亩鄠€流動區(qū)域。壓縮氣流首先從圓形管道進入扁圓形管道，最后從噴孔中噴射而出，整個過程中輔助噴嘴管道截面積逐漸減小，流速不斷增大，在輔助噴嘴出口處風速達到最大，除等大環(huán)形孔輔助噴嘴出口速度334 m/s相對較低，其他型號輔助噴嘴出口速度均接近400 m/s，為超音速氣流。

圖7 不同型號四圓孔輔助噴嘴對稱面上速度分布云圖Fig.7 Velocity contours in symmetry of four orifice auxiliary nozzle of different distribution.(a)Equal size of center of circular;(b)Equal size of annular distribution;(c)Style of 4K03;(d)Style of 4K04;(e)Style of 4K05;(f)Style of 4K06;(g)Style of 4K07

4.1.2耗氣量對比

圖8示出不同孔型輔助噴嘴耗氣量。反映了在供氣壓力為0.3 MPa、噴射面積相同時，四圓孔輔助噴嘴的噴孔分布方式和噴孔直徑對耗氣量的影響情況。分析結果顯示： 4K03型輔助噴嘴耗氣量最大，其值為1.525 m3/h；4K06型輔助噴嘴耗氣量最小，其值為1.462 m3/h；4孔輔助噴嘴平均耗氣量為 1.485 m3/h。

4.1.3氣流中心線上速度分布

圖9示出供氣壓力為0.3 MPa時，不同分布方式的四圓孔輔助噴嘴氣流中心線上速度衰減曲線?？芍?)在輔助噴嘴氣流中心線上，風速在噴嘴出口處達到最大后逐漸減??；2)等大中心孔輔助噴嘴氣流中心線上的速度分布均在等大環(huán)形孔上方，表明在相同位置處，等大中心孔輔助噴嘴氣流速度大于等大環(huán)形孔輔助噴嘴氣流速度。其原因為：等大中心孔輔助噴嘴的周圍，3個噴孔圍繞中間大噴孔的噴孔排列方式中，中間大噴孔噴射的主導氣流，凝聚了周邊小孔噴射的束氣流，抑制了氣流擴散，延緩了氣流速度的衰減，提高了氣流的集束性；3)4K04、4K05、4K06型輔助噴嘴的速度分布曲線極為相似，說明此3種孔型輔助噴嘴的噴射性能較為接近。

圖8 不同孔型輔助噴嘴耗氣量Fig.8 Air consumption of auxiliary nozzle with diferent injector orifice style

圖9 氣流中心線上速度衰減曲線Fig.9 Decay curve of velocity of airflow centerline

從氣流中心線上速度衰減曲線可以看出，在距離輔助噴嘴出口0～40 mm內，4K03型輔助噴嘴的速度分布曲線位于其他曲線之上，說明在該距離內4K03型輔助噴嘴噴射性能最優(yōu)。

4.1.4四圓孔輔助噴嘴綜合性能定量分析

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，計算四圓孔輔助噴嘴速度積分S、耗氣量Q以及輔助噴嘴綜合性能指標K，結果如表2所示。

表2 不同類型四圓孔輔助噴嘴性能評價表Tab.2 Parameters evaluation of four orifice auxiliary nozzle with different styles

表2數(shù)據(jù)顯示：4K03型輔助噴嘴的S值和K值均為最大，說明其噴射性能和綜合性能在4孔輔助噴嘴中較優(yōu)；4K06型輔助噴嘴耗氣量最低，K值較大，表明4K06型輔助噴嘴也具有較好的綜合性能。

利用以上方法，對噴孔分別為雙圓孔、三圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔的輔助噴嘴進行了研究發(fā)現(xiàn)：1)相同孔數(shù)的中心環(huán)形分布的輔助噴嘴，其出口風速隨中心孔直徑減小而減??；2)中心環(huán)形分布方式的輔助噴嘴噴射性能優(yōu)于環(huán)形分布的輔助噴嘴；3)相同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴中，雙孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴綜合性能最優(yōu)。

4.2 不同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴性能對比

對單圓孔、錐形孔、雙孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴噴射性能進行研究，并與基本型單圓孔輔助噴嘴進行比較，分析比單圓孔輔助噴嘴耗氣量更低、噴射速度更高的輔助噴嘴。

4.2.1不同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴耗氣量對比

表3示出供氣壓力為0.3 MPa時，不同輔助噴嘴耗氣量的對比。數(shù)據(jù)顯示：錐形孔輔助噴嘴耗氣量最大，8K04型輔助噴嘴的耗氣量最??；相同的噴孔面積條件下，耗氣量隨著噴孔數(shù)目增多呈現(xiàn)遞減趨勢。

表3 不同噴孔數(shù)目輔助噴嘴性能評價表Tab3 Parameters evaluation of different number of orifice auxiliary nozzle

4.2.2綜合性能對比

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，計算不同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴的速度積分S、Q以及輔助噴嘴綜合性能指標K，結果如表3所示。

由表中數(shù)據(jù)可知： 1)7K04型輔助噴嘴的速度積分S值較高，其耗氣量Q也較小，綜合性能指標K值最大，表明該類型輔助噴嘴綜合性能最優(yōu)，是一種理想的輔助噴嘴；2)錐形孔輔助噴嘴的速度積分S值最大，說明其噴射性能最優(yōu)，但由于其耗氣量Q最大，使得其K值較小，由于其噴射性能較好，僅適用于重磅織物的引緯；3)單圓孔輔助噴嘴與5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔輔助噴嘴相比，前者的綜合性能指標K值較小，表明5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔型的輔助噴嘴綜合性能優(yōu)于單圓孔輔助噴嘴。

5 結 論

1)中心環(huán)形分布方式的輔助噴嘴噴射性能優(yōu)于環(huán)形分布的輔助噴嘴。

2)相同孔數(shù)但直徑大小不同的中心環(huán)形分布的輔助噴嘴，其出口風速隨中心孔直徑減小而減小。

3)相同的噴孔面積條件下，耗氣量隨著噴孔數(shù)目增多而減小，8K04型輔助噴嘴耗氣量最低。

4)7K04型輔助噴嘴綜合性能最優(yōu)，噴射速度高，耗氣量低，適合于大多數(shù)織物高速引緯；錐形孔輔助噴嘴噴射性能最優(yōu)，但耗氣量高，適合于重磅織物引緯。

5)5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴綜合性能優(yōu)于單圓孔輔助噴嘴。