噴氣織機(jī)主噴嘴導(dǎo)紗管改進(jìn)構(gòu)型的性能分析

王青 林何 沈丹峰

摘要： 為提高噴氣織機(jī)主噴嘴加速性，降低耗氣量，文章對主噴嘴導(dǎo)紗管進(jìn)行改進(jìn)構(gòu)型的性能研究，并提出三種改進(jìn)的導(dǎo)紗管構(gòu)型?；贔luent軟件對具有三種不同導(dǎo)紗管構(gòu)型的主噴嘴內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析導(dǎo)紗管對氣流的加速性。分析結(jié)果表明：改進(jìn)的導(dǎo)紗管構(gòu)型二和三相比于圓柱形導(dǎo)紗管，加速性分別提高0.8%～22.5%和2%～11%;構(gòu)型三由漸縮管段和圓柱管段組成，因此氣流在導(dǎo)紗管出口平行流出，有利于和輔助噴嘴噴射氣流的匯合;隨著構(gòu)型三漸縮管段長度的增加，導(dǎo)紗管出口氣流速度先增大后減小，且漸縮管段長度在150 mm左右時，導(dǎo)紗管出口氣流速度最大。

關(guān)鍵詞： 主噴嘴;導(dǎo)紗管;加速性;供氣壓力;改進(jìn)構(gòu)型

中圖分類號： TS103.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ? 文章編號： 1001

Abstract： In order to improve the acceleration performance and reduce the air consumption of main nozzles of an air-jet loom， the performances of the improved configurations of thread tube were studied here. Three improved configurations of thread tube were developed. The numerical simulation study was conducted by Fluent software for the internal flow field of main nozzles with three different thread tube configurations， and the acceleration performance of thread tube for airflow was investigated. The results show that， compared with cylindrical thread tube， the acceleration performances of improved thread tube configurations Ⅱ and Ⅲ increased by 0.8%～22.5% and 2%～11%， respectively. The configuration Ⅲ consists of a tapered section and a cylindrical section. So， airflow is parallel at the outlet of the thread tube， which contributes to and assists the nozzle in joining jet stream. As the length of the tapered section increases， the airflow velocity at the outlet of the thread tube increases firstly and then decreases. And the maximal velocity occurs when the length of tapered section is about 150 mm.

Key words： main nozzle; thread tube; acceleration performance; gas pressure; improved configuration

噴氣織機(jī)引緯是借助高速氣流對緯紗產(chǎn)生的摩擦力，把具有一定質(zhì)量處于靜止?fàn)顟B(tài)的緯紗迅速加速，使其在氣流場的輸送作用下飛越梭口。主噴嘴作為噴氣織機(jī)的重要部件，其結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)是噴氣引緯中最重要的因素，直接影響織機(jī)生產(chǎn)速率和產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等，因此學(xué)者們對主噴嘴開展了大量的研究工作。

ISHIDA等[1-2]和KIM等[3]研究了主噴嘴供氣壓力大小和導(dǎo)紗管長度對內(nèi)流場氣流靜壓分布及速度大小的影響。JEONG等[4]通過改變導(dǎo)紗管長度和直徑，進(jìn)行主噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計。陳亞威等[5]、路翔飛等[6]分別采用實驗法、CFD方法對主噴嘴緯紗牽引力進(jìn)行了測試和計算。薛文良等[7]采用CFD方法分析了不同供氣壓力下主噴嘴內(nèi)流場氣流參數(shù)分布，金玉珍等[8]、張科[9]分析了主噴嘴不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場特性的影響，G.Belforte等[10]進(jìn)行了氣流對緯紗牽引力的數(shù)值模型研究。這些研究一定程度上能夠用于指導(dǎo)主噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計，但是都局限于對常規(guī)構(gòu)型的研究，對主噴嘴構(gòu)型的改進(jìn)研究很少。陳亮等[11]設(shè)計了一種新型主噴嘴構(gòu)型，該構(gòu)型有兩個整流室，雖然能夠有效減弱紊流甚至消除回流現(xiàn)象，但是兩個整流室使得主噴嘴結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

導(dǎo)紗管作為主噴嘴的加速段，其長度、結(jié)構(gòu)形狀等對主噴嘴出口氣流速度影響很大，因此研究不同構(gòu)型導(dǎo)紗管對氣流的加速性對提高主噴嘴出口緯紗速度意義重大?；诖?，本文提出幾種不同的導(dǎo)紗管構(gòu)型，并通過主噴嘴內(nèi)流場特性分析，研究幾種新型導(dǎo)紗管對氣流的加速特性，通過對比分析得到加速性更好的導(dǎo)紗管構(gòu)型，力求提高噴氣織機(jī)主噴嘴的加速性，降低耗氣量。

1 主噴嘴結(jié)構(gòu)和工作原理

本文研究的主噴嘴采用ZA型主噴嘴[7]（圖1），該主噴嘴由噴嘴芯、噴嘴體和導(dǎo)紗管組成，噴嘴內(nèi)流道則由空氣加速區(qū)、緯紗引緯區(qū)和緯紗加速區(qū)組成。引緯時，由主氣包來的高壓氣流從供氣氣流入口進(jìn)入主噴嘴，經(jīng)環(huán)形氣室及整流槽后，氣流由高速渦流變?yōu)檠剌S線方向的直流，整流后的氣流經(jīng)亞音速加速區(qū)，通過錐形套以快速提高氣流速度，亞音速氣流經(jīng)過喉部，在喉部出口處達(dá)到或超過當(dāng)?shù)匾羲?。?dāng)此高速氣流進(jìn)入緯紗引射區(qū)時，當(dāng)?shù)貧饬黛o壓已小于大氣壓，形成負(fù)壓區(qū)，外界大氣攜緯紗經(jīng)引緯流道進(jìn)入導(dǎo)紗管，經(jīng)過緯紗加速區(qū)，高速氣流在導(dǎo)紗管內(nèi)與緯紗充分作用，使緯紗達(dá)到引緯所需的速度。

由主噴嘴工作原理可知，主噴嘴內(nèi)部流體流動特性非常復(fù)雜。狹小的內(nèi)部流道內(nèi)，在氣室存在高壓渦流，在整流槽內(nèi)有氣固兩項相互作用，在引射區(qū)有高低速氣流的混合等。氣流經(jīng)整流、加速、混合后，最終在導(dǎo)紗管內(nèi)進(jìn)行最后的加速，在導(dǎo)紗管出口達(dá)到引緯所需速度。因此進(jìn)入導(dǎo)紗管的氣流狀態(tài)，特別是氣流的速度高低，對導(dǎo)紗管長度、形狀、截面大小等都有不同的要求，這些結(jié)構(gòu)信息又反過來對氣流加速性影響很大，故本文將具體研究幾種導(dǎo)紗管構(gòu)型對主噴嘴氣流的加速性能。

2 幾種改進(jìn)的導(dǎo)紗管構(gòu)型方案

傳統(tǒng)導(dǎo)紗管均采用圓柱形，而根據(jù)拉瓦爾噴管（圖2）原理，當(dāng)氣流為亞音速時，遵循“流體在管中運(yùn)動時，截面小處流速大，截面大處流速小”的原理，即氣流流經(jīng)收縮段時不斷加速;當(dāng)氣流為跨音速時，則是截面越大，流速越快。因此，本文根據(jù)拉瓦爾噴管原理設(shè)計幾種新的導(dǎo)紗管構(gòu)型，如圖3所示為三種導(dǎo)紗管構(gòu)型示意。

構(gòu)型一：漸擴(kuò)型加速區(qū);構(gòu)型二：漸縮型加速區(qū);構(gòu)型三：（漸縮型管段+圓柱形管段）加速區(qū)。

構(gòu)型一的漸擴(kuò)型導(dǎo)紗管G.Belforte等在文獻(xiàn)[10]中提過，根據(jù)拉瓦爾噴管原理，如果氣流在引射區(qū)達(dá)到跨音速，則流經(jīng)該構(gòu)型導(dǎo)紗管加速段，氣流會不斷加速。對于構(gòu)型二和構(gòu)型三，當(dāng)氣流進(jìn)入緯紗引射區(qū)為亞音速，則流經(jīng)該兩種構(gòu)型導(dǎo)紗管加速段，氣流會不斷加速，且構(gòu)型三有等面積整流段，能夠使氣流平行流出導(dǎo)紗管，理論上有助于和輔噴嘴噴射氣流的匯合。綜上，本文通過數(shù)值模擬來具體分析三種構(gòu)型對氣流的加速性。

3 改進(jìn)的導(dǎo)紗管構(gòu)型性能分析

3.1 分析建模

三種構(gòu)型的導(dǎo)紗管研究，是以整個主噴嘴為研究對象展開的。因為主噴嘴為面對稱構(gòu)型，因此僅取其一半進(jìn)行研究，以減少分析計算時間。三種導(dǎo)紗管構(gòu)型幾何參數(shù)如表1所示，導(dǎo)紗管入口端直徑均一致，便于不同構(gòu)型間性能對比分析。此外，為確定改進(jìn)構(gòu)型導(dǎo)紗管性能提升情況，對基準(zhǔn)構(gòu)型的導(dǎo)紗管也進(jìn)行了性能計算（表1）。

本文基于Solidworks軟件建立主噴嘴三維模型，如圖4所示。網(wǎng)格劃分是流場分析非常重要的一環(huán)，網(wǎng)格質(zhì)量差，在流場分析時將難以捕獲到氣流真正流動狀態(tài)，因此本文采用ICEM軟件劃分網(wǎng)格時，考慮到主噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在氣流整流區(qū)等復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。此外，為了更真實地模擬主噴嘴流場的真實情況，壓力入口和出口都進(jìn)行了延長，以符合在緯紗入口處有外界大氣流入，在導(dǎo)紗管出口處有主噴嘴內(nèi)部氣流流出。其劃分好的網(wǎng)格如圖5所示。

流體力學(xué)模擬分析采用Fluent軟件，網(wǎng)格邊界條件包括兩個壓力入口（Pressure inlet，一個為供氣壓力入口、一個為緯紗入口），一個壓力出口（Pressure outlet，導(dǎo)紗管出口），一個對稱面（Symmetry）和一個壁面（Wall）邊界條件。壓力入口、出口的參數(shù)設(shè)置方法參考文獻(xiàn)[9]，計算模型選擇模擬湍流最準(zhǔn)確的k-ω SST模型，分別分析供氣壓力取0.2、0.3、0.4 MPa和0.5 MPa時幾種構(gòu)型的性能。

3.2 結(jié)果分析

主噴嘴設(shè)計以提高緯紗飛行速度為主要目標(biāo)，因此以導(dǎo)紗管出口氣流平均速度大小為分析因素，其仿真結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可得：1）構(gòu)型三在0.2～0.5 MPa供氣壓力下的出口氣流速度均大于基準(zhǔn)構(gòu)型，且增加幅度隨著供氣壓力增大從11%～2%內(nèi)變化;構(gòu)型二在0.2～0.4MPa供氣壓力范圍內(nèi)的出口氣流速度均大于基準(zhǔn)構(gòu)型，增幅從22.5%～0.8%內(nèi)變化，在0.5 MPa供氣壓力下速度則降低2.1%;構(gòu)型一在0.2～0.4 MPa供氣壓力范圍內(nèi)的出口氣流速度均小于基準(zhǔn)構(gòu)型，其減幅從23%～8.8%，只在0.5 MPa供氣壓力下增大12.9%。根據(jù)拉瓦爾噴管加速原理可知：供氣壓力在0.2～04 MPa時，構(gòu)型二和構(gòu)型三的主噴嘴內(nèi)流場氣流在緯紗引射區(qū)與從主噴嘴入口進(jìn)來的氣流混合后為亞音速氣流，因此，流經(jīng)收縮型加速區(qū)后流速迅速增大，即構(gòu)型二和構(gòu)型三在該供氣壓力范圍內(nèi)對氣流加速性更好。當(dāng)供氣壓力為0.5 MPa時，構(gòu)型一出口氣流速度最高，說明此時氣流在緯紗引射區(qū)為跨音速，經(jīng)過擴(kuò)張型加速區(qū)后流速增加，故構(gòu)型一在供氣壓力0.5 MPa時對氣流的加速性最好。2）隨著供氣壓力的增大，幾種導(dǎo)紗管出口氣流速度均呈增大趨勢，這是因為：主噴嘴對緯紗的加速是靠主噴嘴內(nèi)外壓強(qiáng)差實現(xiàn)的。壓強(qiáng)差越大，氣流流速越急，對緯紗的作用力越大，緯紗的飛行速度越大。故供氣壓力越高，主噴嘴出口處氣流速度越高，但是氣流消耗量也越大，織造成本也越高。因此，供氣壓力并非越大越好，一般取0.3 MPa左右。

綜上所述，構(gòu)型二和構(gòu)型三性能都較基準(zhǔn)構(gòu)型和構(gòu)型一有所提高，構(gòu)型三出口氣流速度更高。且構(gòu)型三為漸縮管段和圓柱形管段組合的導(dǎo)紗管構(gòu)型，不但加速性好，其圓柱段還能夠?qū)饬鬟M(jìn)行一定的整流作用，使得氣流平行噴出主噴嘴，有助于和輔助噴嘴噴射的氣流進(jìn)行匯合，因此是性能更好的一種構(gòu)型。

3.3 導(dǎo)紗管構(gòu)型三性能詳細(xì)分析

既然構(gòu)型三性能更好，那么其漸縮管段和圓柱形管段長度值分配不同時對導(dǎo)紗管出口氣流速度又有何影響？現(xiàn)做進(jìn)一步的分析研究。

導(dǎo)紗管總長200 mm不變，分析當(dāng)漸縮管段長度分別取0、50、100、150 mm和200 mm時導(dǎo)紗管出口氣流速度。采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，得到不同情況下導(dǎo)紗管出口氣流速度，不同曲線表示在不同供氣壓力條件下的計算結(jié)果，如圖7所示。

分析圖7可得，在0.3～0.5 MPa供氣壓力內(nèi)，隨著漸縮管段長度的增加，導(dǎo)紗管出口氣流速度均呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，即導(dǎo)紗管漸縮段長度存在一個極值，使得出口氣流速度最大，該值在150 mm左右。同時圖7也進(jìn)一步說明供氣壓力越大，導(dǎo)紗管出口氣流速度越高，且基準(zhǔn)構(gòu)型（對應(yīng)漸縮管段長度0 mm）和構(gòu)型二（對應(yīng)漸縮管段長度200 mm）對氣流的加速性均不如構(gòu)型三好。

4 結(jié) 論

本文對幾種構(gòu)型導(dǎo)紗管對氣流的加速性進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為漸縮型和漸縮型管段加圓柱形管段兩種構(gòu)型的導(dǎo)紗管對氣流加速性都有提高，特別是漸縮型管段加圓柱形管段這種導(dǎo)紗管，既實現(xiàn)了更好的加速性，其圓柱段還能夠?qū)饬鬟M(jìn)行一定的整流作用，有助于和輔助噴嘴噴射的氣流進(jìn)行合并。隨著漸縮管段長度的增加，出口氣流速度先增大，隨后又逐漸減小，因此漸縮管段長度存在一個極值，使得導(dǎo)紗管出口氣流速度最高，該極值可以通過優(yōu)化手段分析得到。

PDF下載參考文獻(xiàn)：

[1]ISHIDA M， OKAJIMA A. Flow characteristics of an air-jet loom with a modified reed and auxiliary nozzles（part 1）： flow in a main nozzle[J]. Journal of the Textile Machinery Society of Japan， 1991， 44（4）： 43-54.

[2]ISHIDA， M， OKAJIMA A. Flow characteristics of an air-jet loom with a modified reed and auxiliary nozzles（part 2）： measurements of a highspeed jet flow from a main nozzle and a weft traction force[J]. Journal of the Textile Machinery Society of Japan， 1992， 45（12）： 65-77.

[3]KIM， S D， SONG D J. A numerical analysis of transonic/supersonic flows in the axisymmetric main nozzle of and air-jet loom[J]. Textile Research Journal， 2001，71（9）： 783-790.

[4]JEONG， S Y， KIM， K H， CHIO J H. Design of the main nozzle with different acceleration tube and diameter in an air-jet loom[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing， 2005， 6（1）： 23-30.

[5]陳亞威， 沈毅. 噴氣織機(jī)主噴嘴緯紗牽引力的測試與分析[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報， 2007， 24（3）： 238-242.

CHEN Yawei， SHEN Yi. Test and analysis of weft force for air-jet looms main nozzle[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University， 2007， 24（3）： 238-242.

[6]路翔飛， 馮志華， 孫中奎. 基于Fluent的噴氣織機(jī)主噴嘴緯紗牽引力分析與計算[J]. 紡織學(xué)報， 2011， 32（9）： 125-129.

LU Xiangfei， FENG Zhihua， SUN Zhongkui. Calculation and analysis of weft insertion force for air-jet looms main nozzle based on Fluent[J]. Journal of Textile Research， 2011，32（9）： 125-129.

[7]薛文良， 魏孟媛， 陳革. 噴氣織機(jī)主噴嘴內(nèi)部流場的數(shù)值計算[J]. 紡織學(xué)報， 2010， 31（4）： 124-127.

XUE Wenliang， WEI Mengyuan， CHEN Ge. Numerical simulation of flow field in main nozzle of air jet loom[J]. Journal of Textile Research， 2010， 31（4）： 124-127.

[8]JIN Yuzhen， CUI Jingyu， ZHU Linhang. An investigation of some parameter effects on the internal flow characteristics in the main nozzle[J]. Textile Research Journal， 2017， 87（1）： 91-101.

[9]張科. 基于CFD的噴氣織機(jī)主噴嘴氣流場分析及局部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D]. 蘇州： 蘇州大學(xué)， 2010.

ZHANG Ke. Based on CFD Analysis of Weft Insertion Flow of the Main Nozzle in an Air-jet Loom and the Optimization of Local Structure Parameter[D]. Suzhou： Soochow University， 2010.

[10]BELFORTE G， MATTIAZZO G， VIKTOROV V， et al. Numerical model of an air-jet loom main nozzle for drag forces evaluation[J]. Textile Research Journal， 2009， 79（18）： 1664-1669.

[11]CHEN L， FENG Z. Numerical simulation of the internal flow field of a new main nozzle in an air-jet loom based on Fluent[J]. Textile Research Journal， 2015， 79（18）： 1590-1601.