噴氣織機(jī)異形筘結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引緯氣流場(chǎng)的影響

楊國(guó)仲,沈丹峰,常革聯(lián),王春妍

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.經(jīng)緯津田駒紡織機(jī)械(咸陽(yáng))有限公司,陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引 言

在噴氣織機(jī)異形筘引緯方式中,緯紗通過(guò)主噴嘴的加速輸送到異形筘槽,再由若干組輔助噴嘴以接力的方式完成引緯[1]。目前,關(guān)于噴氣織機(jī)組合流場(chǎng)性質(zhì)的研究主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬等3種方法。在流體力學(xué)理論分析中,根據(jù)時(shí)間和緯紗位置建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行引緯計(jì)算,分析結(jié)果能夠得出最小供氣壓力以減少耗氣量[2];依據(jù)射流合成原理,并結(jié)合紗線穩(wěn)定性條件,可得到輔助噴嘴最佳安裝距離函數(shù)[3]。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,通過(guò)輔助噴嘴結(jié)合異形筘的引緯方式,利用畢托管測(cè)試輔噴嘴間距、噴向角以及供氣壓力等因素對(duì)異形筘槽內(nèi)氣流速度的影響[4],以及不同輔噴嘴間距對(duì)異形筘槽內(nèi)緯紗的飛行狀況的影響[5]。流體動(dòng)力學(xué)軟件出現(xiàn)之后,數(shù)值模擬方法也漸漸被采用：利用Fluent分析輔助噴嘴噴孔的不同斜吹角對(duì)引緯氣流速度的影響[6];或采用有限元法探究異形筘不同上下唇角度對(duì)引緯氣流速度的影響等[7]。

異形筘作為噴氣織機(jī)中的重要專件,國(guó)家已出臺(tái)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。然而,對(duì)于異形筘的唇寬最優(yōu)化尺寸研究較少,氣流引緯從管道片發(fā)展到異形筘結(jié)構(gòu)[8],對(duì)于異形筘唇高與唇寬設(shè)計(jì)都是從織造工藝考慮,而基于最佳的氣流耗散的異形筘槽的設(shè)計(jì)鮮有報(bào)導(dǎo)。本文以異形筘的不同上下唇寬尺寸以及導(dǎo)紗管的安裝位置為研究對(duì)象,通過(guò)Fluent對(duì)組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,找出較優(yōu)的唇寬,以期為噴氣織機(jī)引緯工藝的改善提供參考。

1 流場(chǎng)數(shù)值模擬及驗(yàn)證

1.1 組合流場(chǎng)模型

利用SolidWorks三維軟件建立主噴嘴和異形筘的組合流場(chǎng)。一塊鋼筘是由數(shù)千片筘片平行等間距排列組成,筘片間隙由筘號(hào)決定[9]。真實(shí)模型幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算量過(guò)大。故參照文獻(xiàn)[10]將異形筘做平面化處理,忽略其筘齒間隙,建立如圖1所示的主噴嘴與異形筘的組合流場(chǎng)。

圖 1 主噴嘴和異形筘組合流場(chǎng)

1.2 組合流場(chǎng)數(shù)值模擬

將建立的組合流場(chǎng)導(dǎo)入流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent中,具體設(shè)置如下:

1) 網(wǎng)格劃分: 通過(guò) mesh 處理得到網(wǎng)格模型, 由于模型包括許多曲面, Relevancecenter設(shè)置為fine[11]。

2) 求解器與計(jì)算模型:氣流為高速、可壓、黏性流動(dòng),選用可壓隱式耦合控制算法[12],湍流模型選擇RNG方程[13]。

3) 條件設(shè)置:選取理想氣體作為流體材料,初始條件設(shè)置:壓力入口0.2、0.3、0.4 MPa,壓力出口為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,溫度設(shè)置為297 K[6]。

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)通過(guò)北京儀表廠生產(chǎn)的YCL型畢托管測(cè)出相應(yīng)壓差,使用HM20通用型壓力變送器傳輸?shù)絅I數(shù)據(jù)采集卡中,讀取數(shù)據(jù)。由伯努利方程[14]可計(jì)算出氣流速度,見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:V為氣流速度;p為流體壓差;ρ為流體密度;k為畢托管修正系數(shù)[15]。

1.4 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

對(duì)供氣壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa的組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到射流中心線速度分布曲線,如圖2所示。

根據(jù)圖2可知：在0.2 MPa供氣壓力下,氣流進(jìn)入異形筘初始位置最大速度值為229 m/s,實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為220 m/s;在0.3 MPa供氣壓力下,緯紗進(jìn)入異形筘初始位置最大速度值為321 m/s,實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為315 m/s;在0.4 MPa供氣壓力下,氣流進(jìn)入異形筘初始位置最大速度值為389 m/s,實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為385 m/s。

(a) 0.2 MPa

(b) 0.3 MPa

畢托管在一定程度上影響流場(chǎng)的流動(dòng)特性,特別在靠近出口處,且異形筘筘槽通道較小,因而導(dǎo)致出口速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試值小于數(shù)值模擬值[16]。在不同供氣壓力下,二者速度曲線雖然存在一定差距,但速度總體衰減趨勢(shì)仍能夠較好地吻合。因此,利用Fluent軟件對(duì)輔助噴嘴組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的。

2 異形筘組合流場(chǎng)影響因素實(shí)驗(yàn)

在通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行主噴嘴與異形筘組合流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了異形筘唇寬以及導(dǎo)紗管的安裝位置對(duì)組合流場(chǎng)氣流速度的影響。

2.1 異形筘唇寬

異形筘片結(jié)構(gòu)如圖3所示,上唇寬度Lu,下唇寬度Ld。不同唇寬會(huì)對(duì)組合流場(chǎng)的氣流速度產(chǎn)生影響。由于噴氣織機(jī)鋼筘打緯過(guò)程中,異形筘上唇前端在織機(jī)前止點(diǎn)處不可與布面過(guò)分碰撞接觸,否則會(huì)造成布面破洞或斷經(jīng)等疵點(diǎn),所以上唇尺寸一般不可過(guò)長(zhǎng)[17]。

圖 3 異形筘上下唇

為了獲取不同的唇寬尺寸對(duì)氣流場(chǎng)的影響,本文設(shè)計(jì)了7種不同尺寸的上下唇組合,如表1所示。

表 1 異形筘上下唇尺寸設(shè)計(jì)方案

2.2 導(dǎo)紗管的安裝位置

緯紗通過(guò)主噴嘴提供氣壓從導(dǎo)紗管傳輸?shù)疆愋误夭蹆?nèi),導(dǎo)紗管的安裝位置對(duì)引緯氣流有著重要影響,合適的安裝位置能夠較好地保證噴氣織機(jī)引緯的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)5種不同的導(dǎo)紗管安裝位置,即中心位置、 機(jī)前偏移1 mm、機(jī)前偏移2 mm、機(jī)后偏移1 mm、機(jī)后偏移2 mm,用于探究導(dǎo)紗管的安裝位置對(duì)組合流場(chǎng)的影響,如圖4所示。

圖 4 導(dǎo)紗管安裝位置方案

3 結(jié)果與討論

3.1 異形筘上下唇尺寸對(duì)流場(chǎng)影響結(jié)果分析

異形筘7種方案的筘槽中心線速度分布模擬結(jié)果如圖5所示。

(a) 0.2 MPa

(b) 0.3 MPa

(c) 0.4 MPa

圖5(a)中:當(dāng)供氣壓力為0.2 MPa時(shí),在氣流進(jìn)入異形筘槽時(shí),上唇13 mm、下唇11 mm異形筘內(nèi)的初始速度最大;在20 mm以內(nèi),7種方案的速度下降趨勢(shì)基本一致,速度相差不多;在20～50 mm內(nèi),上唇13 mm、下唇11 mm和上唇9 mm、下唇7 mm的異形筘與另外5種方案相比,氣流速度下降變緩;在50 mm后,上唇9 mm、下唇7 mm的異形筘內(nèi)氣流速度下降趨勢(shì)突然增快,上唇13 mm、下唇11 mm異形筘內(nèi)氣流速度最大。

圖5(b)中：當(dāng)供氣壓力為0.3 MPa時(shí),在氣流進(jìn)入異形筘槽時(shí),上唇13 mm、下唇13 mm的異形筘槽內(nèi)速度最大;在5 mm以內(nèi),7種方案的下降趨勢(shì)大體一致;在5～20 mm處,7種方案速度下降趨勢(shì)變緩;在20 mm之后,上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘速度一直最大,方案6、7次之,方案1、2、3速度最慢。

圖5(c)中:當(dāng)供氣壓力為0.4 MPa時(shí),在0～3 mm處,7種方案速度下降最快;在5 mm之后,速度下降趨勢(shì)變緩,其中上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘下降趨勢(shì)最緩,速度最大,方案1、2、3次之,方案6、7速度最小。

以上結(jié)果顯示,由于射流的附壁效應(yīng),筘槽開(kāi)口一側(cè)的高壓會(huì)向內(nèi)壁低壓的一側(cè)偏移,氣流的速度中心線也會(huì)向著內(nèi)壁偏移,最終穩(wěn)定的貼于內(nèi)壁表面,不同唇寬的異形筘對(duì)氣流速度會(huì)有影響。在不同供氣壓力下,氣流在進(jìn)入上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘時(shí)速度表現(xiàn)最好。

3.2 導(dǎo)紗管安裝位置對(duì)組合流場(chǎng)的影響

導(dǎo)紗管5種不同安裝位置時(shí)，氣流速度分析結(jié)果如圖6所示。

(a) 0.2 MPa

(b) 0.3 MPa

(c) 0.4 MPa

圖 6(a) 中,當(dāng)供氣壓力為 0.2 MPa 時(shí), 中心安裝位置速度表現(xiàn)一直最優(yōu)。在 0～15 mm 處,機(jī)前偏移的2種方案速度優(yōu)于機(jī)后偏移的2種方案。此時(shí),機(jī)前偏移 2 mm 的速度稍高,機(jī)后偏移 1 mm 的速度稍低。在 20 mm 之后,機(jī)后偏移的2種方案速度下降趨勢(shì)變緩,速度逐漸高于機(jī)前偏移的2種方案。

圖6(b)中,當(dāng)供氣壓力為0.3 MPa時(shí),在氣流進(jìn)入異形筘槽時(shí),機(jī)后偏移1 mm的速度最高,機(jī)前偏移2 mm的速度最低;在10～55 mm處,機(jī)后偏移2 mm的速度一直保持最大,機(jī)后1 mm和中心安裝次之,機(jī)前2 mm的方案速度最小;在60 mm之后,機(jī)后偏移1 mm的速度下降趨勢(shì)變快。

圖6(c)中,當(dāng)供氣壓力為0.4 MPa時(shí),機(jī)后偏移1 mm和中心安裝的初始速度最大;在0～30 mm處,5種方案的速度下降趨勢(shì)相同;在30 mm～60 mm,中心安裝的速度最大,機(jī)后偏移1 mm的速度次之;在60 mm之后,中心安裝和機(jī)后偏移1 mm速度下降變快。

以上結(jié)果顯示,在不同的供氣壓力下,導(dǎo)紗管的不同安裝位置對(duì)氣流在異形筘中的速度有一定影響。當(dāng)供氣壓力為0.2 MPa和0.4 MPa時(shí),中心安裝的速度表現(xiàn)相對(duì)最優(yōu),在供氣壓力為0.3 MPa時(shí),機(jī)后偏移1 mm的速度表現(xiàn)最好。原因是由射流附壁效應(yīng)引起的。主噴嘴噴射出的氣流進(jìn)入異形筘后受到筘槽的約束,氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比主噴嘴自由射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜,在異形筘中氣流擴(kuò)散變緩,速度中心向筘槽內(nèi)壁偏移,最終穩(wěn)定貼于內(nèi)壁表面,于是導(dǎo)致了主噴嘴導(dǎo)紗管不同的安裝位置對(duì)氣流速度的影響。

4 結(jié) 論

1) 主噴嘴與異形筘的組合流場(chǎng)實(shí)際測(cè)試速度略低于模擬值,但趨勢(shì)相同。

2) 在不同的供氣壓力下,上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘速度表現(xiàn)最優(yōu)。

3) 在供氣壓力為0.2 MPa時(shí),中心安裝的導(dǎo)紗管的流場(chǎng)速度最優(yōu);在供氣壓力為0.3 MPa時(shí),機(jī)后偏移2 mm安裝導(dǎo)紗管的組合流場(chǎng)氣流速度相對(duì)最優(yōu);在供氣壓力為0.4 MPa時(shí),中心安裝導(dǎo)紗管的組合流場(chǎng)速度相對(duì)最優(yōu)。