噴氣織機(jī)新型引緯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及引緯流場(chǎng)分析

陳永當(dāng)，趙誠(chéng)誠(chéng)，殷俊清，程云飛，顧金芋

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

0 引 言

自無(wú)梭織機(jī)20世紀(jì)50年代實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以來(lái)，其織造技術(shù)得到快速發(fā)展，其中噴氣織機(jī)因具有寬幅、高效、高產(chǎn)等織造特點(diǎn)，成為目前的主導(dǎo)機(jī)型。

在噴氣引緯領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)主要在織機(jī)車速合理、織物品種適應(yīng)性、節(jié)能降耗等方面。多尼爾公司對(duì)單孔輔助噴嘴的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了優(yōu)化, 改進(jìn)了其性能, 減少了空氣消耗；豐田公司研發(fā)的新型節(jié)能型輔助噴嘴，使緯紗在低壓環(huán)境下飛行更加平穩(wěn)，從而降低了耗氣量；必佳樂(lè)研發(fā)的TwinJet節(jié)能型噴嘴，顯著提升了多孔噴嘴低壓下的氣流集束程度，進(jìn)一步降低了能耗[1-2]。噴氣引緯的另一研究重點(diǎn)在于降低噴射氣流對(duì)緯紗的影響，從而提高引緯效率和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[3]分析了單孔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和供氣壓力對(duì)射流特性的影響；文獻(xiàn)[4]為提高噴氣織機(jī)工作效率，減少斷緯引起的停車，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)了噴氣織機(jī)綜合性能測(cè)試軟件；文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)不同組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，證明了輔噴流場(chǎng)具有可疊加性；文獻(xiàn)[6]研究了延伸噴嘴的不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)導(dǎo)紗管內(nèi)氣流速度、流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，并對(duì)延伸噴嘴結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種高頻噴射閥以降低噴氣織機(jī)的氣耗問(wèn)題；文獻(xiàn)[8-11]研究了輔助噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對(duì)噴射效果及耗氣量的影響，對(duì)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[12]對(duì)主、輔噴嘴和異形筘的組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，改善了輔助噴嘴引緯的綜合性能；文獻(xiàn)[13]建立了計(jì)算流體力學(xué)模型，并對(duì)旋渦旋壓噴嘴內(nèi)的氣流特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了旋渦旋流噴嘴內(nèi)的氣流特性；文獻(xiàn)[14-15]模擬了主噴嘴氣流與紗線運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，建立了流固耦合框架預(yù)測(cè)紗線在主噴嘴推動(dòng)下的速度；文獻(xiàn)[16]分析了輔助噴嘴流場(chǎng)中氣流速度的具體分布情況以及變化趨勢(shì)，并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

綜上可知，目前對(duì)于噴氣引緯的研究工作主要集中在對(duì)輔助噴嘴噴射性能,主、輔噴嘴與異形筘組合流場(chǎng),引緯工藝參數(shù)優(yōu)化等方面。國(guó)產(chǎn)噴氣織機(jī)在引緯幅寬、入緯率、織物成品質(zhì)量及品種適應(yīng)性、能耗控制等方面，與國(guó)外先進(jìn)噴氣織機(jī)的差距尤為明顯，在噴氣織機(jī)節(jié)能降耗、新型引緯裝置等方面的研究也相對(duì)較少。本文改進(jìn)噴氣織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)，提出主噴嘴+引緯片的新型引緯方式。利用有限元分析軟件對(duì)引緯片流場(chǎng)進(jìn)行分析，得到新型引緯片對(duì)稱截面的速度云圖、氣流引緯中心線上速度衰減曲線、耗氣量以及速度截面圖。

1 新型引緯流場(chǎng)模型

1.1 新型引緯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴氣織機(jī)依靠主、輔噴嘴的高速氣流對(duì)緯紗的牽引力進(jìn)行引緯?，F(xiàn)行主流的噴氣織機(jī)多采用主噴嘴+輔助噴嘴+異性筘的引緯方式，其氣流通道為U型半封閉槽，氣流耗散較快，耗氣量大。基于此，本文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型的帶有氣路通道的引緯片模型，采用主噴嘴+引緯片的方式進(jìn)行引緯。圖1為新型引緯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)及三維圖形。由于新型引緯片內(nèi)部空間含有氣路通道，常規(guī)的加工方法難以實(shí)現(xiàn)，因此采取文獻(xiàn)[18]中提供的高精度的3D打印方法進(jìn)行加工。

(a)新型引緯片結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

1.2 新型引緯片流場(chǎng)三維模型

利用SolidWorks軟件建立新型引緯片的三維模型，利用有限元分析軟件Ansys中SpaceClaim模塊對(duì)引緯片中的流場(chǎng)域進(jìn)行抽取。圖2為新型引緯片的流場(chǎng)域模型，包括內(nèi)嵌式氣路流場(chǎng)和外部遠(yuǎn)揚(yáng)流場(chǎng)，其中外部遠(yuǎn)揚(yáng)流場(chǎng)包括脫紗區(qū)域及半封閉引緯區(qū)域，半封閉引緯區(qū)域的直徑為15 mm，長(zhǎng)度為100 mm。

圖2 新型引緯片的流場(chǎng)域模型

1.3 模型網(wǎng)格的劃分

利用Ansys中的Mesh插件對(duì)新型引緯片的流場(chǎng)域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置壓力入口、壓力出口2個(gè)邊界條件，參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)[19]保持一致。其中網(wǎng)格質(zhì)量為fine，網(wǎng)格密度調(diào)整為100，網(wǎng)格生成數(shù)量為157萬(wàn)，入口壓力為0.3 MPa，靜壓為297.51 kPa，入口湍動(dòng)耗散率為8 428.8 kg·m2·s-3，湍動(dòng)能為5.019 2 m2·s-2，溫度為293 K。采用CFD密度基隱式求解器進(jìn)行計(jì)算，湍流模型選用RNGk-ε雙方程模型，流體介質(zhì)選用理想氣體，迭代次數(shù)為800次。圖3為新型引緯片的流場(chǎng)域網(wǎng)格化分模型，其中壓力入口設(shè)置為內(nèi)嵌式氣路的4個(gè)入口，壓力出口設(shè)置為外部遠(yuǎn)揚(yáng)流場(chǎng)的左、右、上端面3個(gè)出口。

圖3 新型引緯片的流場(chǎng)域網(wǎng)格化分模型

2 數(shù)值模擬

2.1 新型引緯片流場(chǎng)分析

應(yīng)用Fluent有限元分析軟件對(duì)新型引緯片的流場(chǎng)域模型進(jìn)行分析。圖4(a)為氣流匯聚示意圖，可以看出引緯內(nèi)腔排布的多個(gè)噴孔，通過(guò)調(diào)整噴射角，氣流可在引緯內(nèi)腔中心線線上匯聚；圖4(b)為流場(chǎng)域的對(duì)稱面上的速度云圖，由此看出氣流通過(guò)內(nèi)嵌式氣路通道在空間內(nèi)射流中心線上匯聚并穩(wěn)定向前擴(kuò)散；圖4(c)為引緯內(nèi)腔中心線上的速度衰減曲線，由此看出引緯速度v最大值為109 m/s，最小值為40 m/s，平均速度為64 m/s。當(dāng)引緯距離為0～9 mm時(shí)，多個(gè)噴孔噴出的氣流尚未在引緯內(nèi)腔中心線上匯聚，此時(shí)半封閉腔內(nèi)氣流較為紊亂，不利于引緯；當(dāng)引緯距離9～100 mm時(shí)，多個(gè)噴孔噴出氣流已然在流域中心線上匯聚，流場(chǎng)的集束性較好，有利于引緯。文獻(xiàn)[20]指出，TT-800型噴氣織機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中紗線飛行臨界速度為30 m/s。當(dāng)引緯距離為100 mm時(shí)，引緯速度為40 m/s(圖4(c))滿足引緯要求，故選取9～100 mm范圍內(nèi)的流體作為有效引緯區(qū)間。圖4(d)為不同引緯距離下氣流速度截面分布圖，由此看出流體在某一距離處截面速度的分布情況。通過(guò)仿真分析，得到引緯片全流場(chǎng)下入口質(zhì)量流為71.3 g/s，由此可得耗氣量為1.997 m3/h。

(a)氣流匯聚示意圖

2.2 常規(guī)單圓孔輔助噴嘴流場(chǎng)

選取噴射角4°，壁厚0.4 mm，噴孔出口面積為1.766 25 mm2的單圓孔輔助噴嘴進(jìn)行研究，其他參數(shù)設(shè)置與上述保持一致。采用數(shù)值模擬的方法，得到供氣壓力0.3 MPa時(shí)，輔助噴嘴對(duì)稱截面上的速度云圖、氣流引緯中心線上速度衰減曲線及耗氣量等。圖5(a)為單圓孔輔助噴嘴流體在對(duì)稱面上的氣流速度分布情況，可以看出輔助噴嘴最大出口速度為434 m/s。圖5(b)為氣流引緯中心線上氣流速度衰減曲線。

(a)單圓孔輔助噴嘴對(duì)稱截面上的氣流速度云圖

當(dāng)引緯距離處于0～20 mm時(shí)，曲線斜率較大，氣流波動(dòng)較大，不利于引緯；當(dāng)引緯距離處于20～80 mm時(shí)，氣流較為平穩(wěn)，集束性較好，有利于引緯。最小速度為40 m/s，大于紗線飛行臨界速度，故選取20～80 mm為有效引緯區(qū)間。通過(guò)仿真分析，得到單圓孔輔助噴嘴全流場(chǎng)下入口質(zhì)量流為1.013 5 g/s，由此可得耗氣量為2.822 m3/h。

3 結(jié) 論

1)當(dāng)供氣壓力為0.3 MPa時(shí)，新型引緯片全流場(chǎng)下耗氣量為1.997 m3/h，常規(guī)單圓孔輔助噴嘴全流場(chǎng)下耗氣量為2.822 m3/h，二者相比，新型引緯片耗氣量降低了約25%。

2)常規(guī)單圓孔輔助噴嘴具有出口速度較大，氣流集束性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但氣流速度衰減較快。新型引緯片在多噴孔氣流匯聚前，氣流在引緯中心線上集束性較差；在氣流匯聚后，氣流集束性較好并且與輔助噴嘴相比速度衰減較慢。

3)在滿足臨界引緯速度的前提下，新型引緯片與常規(guī)單圓孔輔助噴嘴相比，引緯距離較大。

4)與常規(guī)單圓孔輔助噴嘴進(jìn)行比較，新型引緯片在保證有效引緯速度與引緯距離的前提下，可有效降低耗氣量，進(jìn)而證明新型的主噴嘴+引緯片的引緯方式是可行的。