噴氣織機(jī)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場特性的影響

李斯湖， 沈 敏， 白 聰， 陳 亮

(武漢紡織大學(xué) 數(shù)字化紡織裝備湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430200)

噴氣織機(jī)具有寬幅、高速、高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用市場廣闊。噴氣織機(jī)采用主、輔噴嘴與異形筘相結(jié)合的引緯方式，輔助噴嘴保證緯紗順利通過梭口，是引緯系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。當(dāng)噴氣織機(jī)的幅寬為2.8 m時(shí)，需要40個(gè)左右的輔助噴嘴一起供氣完成引緯，輔助噴嘴用氣量約占整機(jī)氣耗量的70%左右[1]。由此可見，輔助噴嘴結(jié)構(gòu)直接影響噴氣織機(jī)引緯速度、能耗和織物質(zhì)量?，F(xiàn)有輔助噴嘴存在出口風(fēng)速偏低、集束性差及擴(kuò)散快的缺陷，嚴(yán)重影響了輔助噴嘴氣流射入主噴嘴氣流時(shí)的有效速度[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對輔助噴嘴流場特性展開研究，優(yōu)化輔助噴嘴結(jié)構(gòu)，降低能耗。

2009年，Meulemeester等[3]對輔助噴嘴流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用高速攝影機(jī)對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。2010年，Belforte等[4]對不同結(jié)構(gòu)的單圓孔和多圓孔輔助噴嘴流速和耗氣量進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)相同橫截面積，導(dǎo)管較大單圓孔輔助噴嘴引緯效率更高。2016年，KHIANI等[5]測試了5種不同噴氣織機(jī)輔助噴嘴的耗氣量，發(fā)現(xiàn)輔助噴嘴的啟閉時(shí)間對耗氣量有很大的影響。由于輔助噴嘴噴射角、安裝角和噴嘴結(jié)構(gòu)中復(fù)雜過度曲面等多種因素影響，由噴嘴噴出的射流方向會(huì)傾斜一定角度，這給測試帶來了一定的困難。實(shí)驗(yàn)方法既耗時(shí)又耗力，也很難得到速度場分布，在工程實(shí)踐中難以采用該方法研究輔助噴嘴流場特性。相關(guān)研究人員運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件分析輔助噴嘴流場，積累了一些成果。陳革等[6]對單圓孔、雙圓孔、單矩形孔等不同孔形的輔助噴嘴流場進(jìn)行數(shù)值求解。有研究者對單圓孔輔助噴嘴流場進(jìn)行了數(shù)值求解[7-8]，對單圓孔、雙圓孔和19圓孔輔助噴嘴流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過輔助噴嘴氣流特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的正確性[9]。張亮等[10]對單圓孔、雙圓孔、矩形孔3種輔助噴嘴流場進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了出口射流中心線的速度。陳巧蘭等[11-13]以單圓孔輔助噴嘴為基礎(chǔ)，研究在圓形噴孔面積相等的條件下，不同孔數(shù)、孔徑及噴孔排列方式對輔助噴嘴噴射性能及耗氣量的影響。但是，現(xiàn)有的研究大都局限于形狀簡單的輔助噴嘴，如單圓孔及其組合、矩形孔等，對復(fù)雜的星型孔輔助噴嘴流場特性研究較少。雖然有學(xué)者對單圓孔輔助噴嘴耗氣量進(jìn)行了研究，但是對非圓形輔助噴嘴，特別是形狀復(fù)雜的輔助噴嘴耗氣量研究成果不多。

常用的噴氣織機(jī)輔助噴嘴分為圓形孔和非圓形孔。圓形孔中有單孔、雙孔和多孔，非圓形孔中有矩形、正三角形孔和星形孔等結(jié)構(gòu)。其中圓形多孔噴嘴種類最多，根據(jù)數(shù)量劃分，多孔輔助噴嘴主要類型有：雙圓孔、三圓孔、四圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔輔助噴嘴等。根據(jù)圓孔排列方式可分為環(huán)形排列方式、中心排列方式等。如果將圓孔數(shù)量和圓孔排列方式進(jìn)行組合，可以得到一系列不同結(jié)構(gòu)的多孔輔助噴嘴，數(shù)量繁多，本文暫不討論圓形多孔輔助噴嘴。

本文旨在運(yùn)用Fluent軟件對輔助噴嘴引緯流場三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，討論單圓孔、三角形孔和星形孔3種不同的輔助噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、供氣壓力對流場速度分布、耗氣量和引緯平穩(wěn)性的影響規(guī)律。

1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)及流場模型

1.1 輔助噴嘴幾何模型

輔助噴嘴根據(jù)孔形狀可分為圓孔和非圓孔2類。其中非圓孔有矩形孔、正三角形孔、星形孔。本文選取單圓孔、正三角形孔、星形孔3種孔形輔助噴嘴作為研究對象。

由于輔助噴嘴結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，先用Solidworks繪制出流場的三維幾何模型。輔助噴嘴圓管區(qū)長度為12 mm，過渡區(qū)長度為10 mm，扁管區(qū)長度為18 mm。單圓孔孔形輔助噴嘴如圖1所示。單圓孔直徑為1.5 mm，噴射角為6°, 入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。

圖1 單圓孔輔助噴嘴圖Fig.1 Single cicular hole auxiliary nozzle.(a) Circular hole; (b) Sketch map of section structure

正三角形孔如圖2所示，邊長都為2 mm。噴射角為6°，入口直徑為3.2 mm，壁厚0.4 mm。

圖2 正三角形孔輔助噴嘴圖Fig.2 Triangle hole auxiliary nozzle.(a) Triangle hole; (b) Sketch map of section structure

圖3示出星形孔輔助噴嘴的結(jié)構(gòu)，共由5排小圓孔組成，圓孔的直徑為0.3 mm，由中心沿直線向外陣列，單排圓孔數(shù)為5個(gè)，共5排，每排相隔的角度為60°，噴射角為6°。

圖3 星形孔輔助噴嘴圖Fig.3 Star hole auxiliary nozzle. (a) Star hole; (b) Sketch map of section structure

1.2 輔助噴嘴流場建模

采用Solidworks建立輔助噴嘴流場的三維計(jì)算模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因輔助噴嘴流場結(jié)構(gòu)對稱，為減少計(jì)算量，只對一半的流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于輔助噴嘴幾何模型曲面較多，模型復(fù)雜，采用專業(yè)的網(wǎng)格處理軟件Hypermesh進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為4.2×106，生成的單圓孔輔助噴嘴流場網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 輔助噴嘴網(wǎng)格模型和邊界條件Fig.4 Mesh model of flow field of auxiliary nozzle and boundary condition setting

1.3 邊界條件設(shè)置

輔助噴嘴流場所需設(shè)置的邊界條件為壓力入口、壓力出口、對稱面、壁面。其中輔助噴嘴底部設(shè)定為壓力入口，外部遠(yuǎn)場出口處定義為壓力出口，中間為對稱面，其他面為默認(rèn)壁面。

2 數(shù)值求解

利用Fluent進(jìn)行數(shù)值求解，壓縮空氣經(jīng)輔助噴嘴噴出加速后由噴孔噴出，從較小的速度逐漸加速直到峰值，進(jìn)入異形筘后，逐漸衰減。噴管內(nèi)流場為可壓縮黏性流體，外流場屬于高雷諾數(shù)的湍流，并且流動(dòng)流線彎曲程度大，應(yīng)變率及雷諾數(shù)Re值高，所以選擇RNGκ-ε雙方程湍流模型。采用基于密度的求解器，可以獲得較高精度的解。表1示出不同供氣壓力下的壓力入口邊界相關(guān)參數(shù)。

表1 不同供氣壓力下的壓力入口條件Tab.1 Pressure inlet conditions under different gas supply pressures

3 結(jié)果分析

3.1 單圓孔輔助噴嘴模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，與BELFORTE等[4]通過實(shí)驗(yàn)得到的D型單圓孔輔助噴嘴徑向速度等效圓直徑進(jìn)行比較，D型輔助噴嘴是單圓孔輔助噴嘴，出口直徑為1.5 mm。根據(jù)D型輔助噴嘴參數(shù)繪制了單圓孔輔助噴嘴三維模型，如圖1所示。通過數(shù)值仿真得到供氣壓力為0.28 MPa, 距離噴口40 mm處的等效圓直徑。將數(shù)值模擬結(jié)果與BELFORTE等[4]通過實(shí)驗(yàn)得到的D型單圓孔噴嘴等效圓直徑進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本相同。

表2 截面數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值等效圓直徑對比Tab.2 Comparison for equivalent diameter of numerical values

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果，并將數(shù)值仿真得到的出口直徑為1.5 mm的單圓孔輔助噴嘴中心線速度與王衛(wèi)華等[9]實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行比較。供氣壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，單圓孔輔助噴嘴中心線上流速數(shù)值結(jié)果如圖5所示。圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果是根據(jù)文獻(xiàn)[9]測量出口直徑為1.5 mm單圓孔輔助噴嘴位于0、10、15、20、25、30、40、45 mm這8點(diǎn)的速度值得到的。比較圖5中出口直徑為1.5 mm單圓孔輔助噴嘴數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值可以看到, 靠近出口處實(shí)驗(yàn)測試值小于數(shù)值模擬值，這是由于測試所用的畢托管尺寸會(huì)在一定程度上影響流場特性，并且畢托管感測頭需要與輔助噴嘴傾斜角度保持一致，實(shí)際安裝時(shí)難以保證，從而導(dǎo)致近輔助噴嘴出口位置的誤差較大。從圖5可見，供氣壓力為0.2 MPa時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最為接近，當(dāng)供氣壓力為0.3、0.4 MPa時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在一定差距，但是速度總體衰減趨勢也能很好的與實(shí)驗(yàn)值吻合。這表明建立的流場數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果是可靠的，可以用來預(yù)測不同結(jié)構(gòu)輔助噴嘴流場特性。

圖5 不同供氣壓力單圓孔輔助噴嘴中心線速度仿真值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.5 Comparison between simulation velocity and experimental velocity in center line for single hole auxiliary nozzle under different air supply pressures

3.2 輔助噴嘴孔形對速度分布影響

圖6示出供氣壓力在0.3 MPa時(shí)3種不同孔形的速度云圖分布。可見, 單圓孔輔助噴嘴核心速度高達(dá)392 m/s，正三角形孔輔助噴嘴核心速度高達(dá)382 m/s, 星形孔核心速度高達(dá)429 m/s，均為超音速氣流。其中星形孔的出口流速更大，射流的勢流核心區(qū)長度更長，相較于單圓孔和正三角形孔射流中心偏離噴口幾何軸線角度更小，具有較好的集束性。

圖6 0.3 MPa條件下3種輔助噴嘴模型速度分布云圖Fig.6 Velocity contours of three auxiliary nozzle models under 0.3 MPa. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangle hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

圖7示出供氣壓力在0.4 MPa時(shí)3種不同孔形的速度云圖分布?？梢?，當(dāng)供氣壓力從0.3 MPa增加到0.4 MPa時(shí)，3種輔助噴嘴出口流速都迅速增大，出口處產(chǎn)生了更為劇烈的湍流。隨著入口壓力的增加，3種結(jié)構(gòu)輔助噴嘴射流的勢流核心區(qū)長度有明顯的增長，隨著中心軸線上距離的增加，輔助噴嘴出口噴出的射流在空氣中向斜向上方向逐漸擴(kuò)大。

3.3 供氣壓力對氣流中心速度影響

圖8示出3種孔形的輔助噴嘴在0.2～0.4 MPa壓力下的中心軸線流速分布?？梢钥闯?，單圓孔、正三角形孔和星形孔噴口的輔助噴嘴氣流中心線速度曲線變化規(guī)律基本相同。在輔助噴嘴出口附近，速度突然增大，然后持續(xù)下降。

Adanur等[14-15]已對單孔噴嘴流場進(jìn)行了分析，對流場中紗線飛行狀態(tài)作了相應(yīng)研究，并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了噴嘴噴孔形狀對引緯氣流速度的分布以及變化趨勢影響不大。這是因?yàn)檩o助噴嘴實(shí)際上是一種漸縮噴管，不管如何改變噴口形狀，都是將高壓空氣從縮小的孔口射入空氣介質(zhì)，其本質(zhì)都屬于紊動(dòng)射流。當(dāng)壓縮空氣在進(jìn)入噴嘴入口后，噴管截面逐漸縮小，遵循流體在管中運(yùn)動(dòng)規(guī)律，“截面小處流速大，截面大處流速小”，氣流速度不斷加速，在噴口處氣流速度達(dá)到最大值變?yōu)槌羲伲鴫簭?qiáng)減小，當(dāng)氣體的壓強(qiáng)逐漸衰減到一個(gè)大氣壓之后，噴出的射流就會(huì)在大氣中自由擴(kuò)散，隨著與噴孔出口距離的增加，射流逐漸加大擴(kuò)散，速度不斷衰減。中心速度曲線的小幅度波動(dòng)，是因?yàn)閴簭?qiáng)降低，產(chǎn)生了膨脹波，由膨脹波和壓縮波交替出現(xiàn)造成的。

圖7 0.4 MPa條件下3種輔助噴嘴模型速度分布云圖Fig.7 Velocity contours of three auxiliary nozzle models under 0.4 MPa. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangle hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

圖8 不同壓力條件下3種輔助噴嘴中心軸線氣流速度曲線圖Fig.8 Velocity on axis of auxiliary nozzles at different pressures. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangle hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

圖9 0.3 MPa壓力條件下不同輔助噴嘴孔徑中心線速度曲線圖Fig.9 Chart of airflow velocity along center line with various pore of auxiliary nozzles under 0.3 MPa. (a) Single circular hole auxiliary nozzle;(b) Triangular hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

對圖8中在中心軸線40 mm處的流速進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：在0.2 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度低于100 m/s，不適合高速氣流引緯；在0.3 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度達(dá)到100 m/s，氣耗量適中，適用于大多數(shù)織物的高速引緯；在0.4 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度達(dá)到130 m/s，比較適合重磅織物的引緯，但氣耗量大。綜上可知，0.3 MPa基本滿足高速引緯要求，是較為合適的供氣壓力。再增大供氣壓力，雖然能提高流速，但也會(huì)增加流動(dòng)的紊流強(qiáng)度，導(dǎo)致緯紗波動(dòng)加劇，增大了耗氣量，不利于引緯。

3.4 輔助噴嘴孔徑對氣流中心速度影響

圖9示出不同孔徑條件下3種不同輔助噴嘴中心線速度曲線。其中圖9 (a) 為單圓孔輔助噴嘴取不同孔徑中心軸線速度曲線，圖9 (b)為正三角形孔輔助噴嘴取不同邊長中心軸線速度曲線；圖9 (c) 為星形孔取3種不同直徑條件下中心軸線速度曲線。

星形孔輔助噴嘴為中心排列方式，僅僅改變每個(gè)孔的直徑為0.2、0.25、0.3 mm，不改變其他參數(shù)。由圖可知，隨著中心軸線上距離的增大，氣流速度逐漸衰減，隨著噴嘴孔徑的減小，氣流衰減速度增快。在距離噴孔10 mm之后，3種孔徑的中心軸線上速度衰減緩慢且平穩(wěn)，衰減趨勢越緩慢則氣流集束性越好，表明孔徑越大，氣流的集束性越好，噴射能力越強(qiáng)。

3.5 輔助噴嘴孔形對耗氣量影響

氣流速度和氣流流量是輔助噴嘴完成引緯必需具備的2個(gè)基本條件。分析不同孔形輔助噴嘴對耗氣量的影響，對設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保型的噴氣織機(jī)具有重要的參考價(jià)值。表3示出供氣壓力為0.4 MPa時(shí)單圓孔、正三角形和星形孔3種不同孔形的耗氣量。耗氣量是輔助噴嘴出口面的流量值?？梢钥闯?，3種孔形的耗氣量高低依次為：正三角形孔、單圓孔、星形孔。相較于其他2種輔助噴嘴，星形孔出口風(fēng)速最高，耗氣量最低。

表3 0.4 MPa條件下不同孔形輔助噴嘴出口風(fēng)速和耗氣量Tab.3 Air consumption and average speed of airflow of different auxiliary nozzles at 0.4 MPa

3.6 輔助噴嘴孔形對引緯平穩(wěn)性影響

在引緯過程中，要求輔助噴嘴出口風(fēng)速高，集束性好，射程盡可能遠(yuǎn)，必須防止輔助噴嘴射流擴(kuò)散，引緯速度緩慢減速，才能保證緯紗穩(wěn)定飛過梭口。引緯平穩(wěn)性是以距輔助噴嘴噴口40 mm處的截面速度大于80 m/s的等效圓半徑r表示。圖10示出供氣壓力為0.3 MPa時(shí)3種不同孔形輔助噴嘴，距離噴口40 mm處截面徑向速度分布圖。

圖10 截面速度分布Fig.10 Velocity distribution of cross section. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangular hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

表4示出在不同供氣壓力下單圓孔、正三角形孔和星形孔，距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑。

表4 不同壓力條件下不同孔形的引緯平穩(wěn)性Tab.4 Stability of weft insertion with different passes under different pressure mm

由表4可知，隨著壓力增大，3種孔形的輔助噴嘴距離輔噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑也隨之增大。3種孔形在0.4 MPa時(shí)的等效圓半徑均大于在0.3 MPa時(shí)的等效圓半徑。等效圓半徑越大，說明對引緯時(shí)的緯紗穩(wěn)定性相對越好。在一定供氣壓力時(shí)，星形孔的引緯平穩(wěn)性相對最優(yōu)，單圓孔的引緯穩(wěn)定性最差。

4 結(jié) 論

本文采用Fluent軟件分析了在0.2～0.4 MPa供氣壓力下單圓孔、正三角形孔和星形孔3種輔助噴嘴流場分布，得到如下結(jié)論：

1)3種孔形的輔助噴嘴隨著供氣壓力的增加，噴嘴中心軸線速度變化趨勢基本一致，且3種孔形的噴嘴在0.4 MPa的供氣壓力下，輔助噴嘴出口處出現(xiàn)明顯的速度波動(dòng)，這是出口處的氣流超音速流動(dòng)產(chǎn)生的激波。

2)輔助噴嘴供氣壓力對引緯速度的影響非常明顯：在0.3 MPa的供氣壓力下，距離中心軸線40 mm處速度達(dá)到100 m/s，氣耗量適中，適用于大多數(shù)織物的高速引緯；在0.4 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度達(dá)到130 m/s，比較適合重磅織物的引緯，但氣耗量較大。

3)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)對引緯特性也有很大影響，在相同供氣壓力下，星形孔輔助噴嘴，相比于單圓孔、正三角形輔助噴嘴具有更好的集中性，更高的引緯速度，更小的耗氣量，較好的引緯平穩(wěn)性，是一種綜合性能優(yōu)良的輔助噴嘴。

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