輔助噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴氣織機(jī)異形筘內(nèi)合成流場(chǎng)特征的影響

周浩邦， 沈 敏， 余聯(lián)慶， 肖世超

(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)具有速度快、效率高、產(chǎn)品適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，已被公認(rèn)為最具發(fā)展前景的無梭織機(jī)之一。噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)主要采用主噴嘴和輔助噴嘴加異形筘引緯方式，高速射流在異形筘槽內(nèi)匯合，形成合成流場(chǎng)，牽引紗線飛過梭口, 主噴嘴和輔助噴嘴氣流特性直接影響到引緯效率、織物質(zhì)量和織機(jī)能耗[1-2]。由于主噴嘴、輔助噴嘴的高速射流均是湍流場(chǎng)，對(duì)于異形筘內(nèi)氣流場(chǎng)的研究一直是影響噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題，目前對(duì)噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的研究主要采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。已有一些學(xué)者利用畢托管[3-4]、激光多普勒測(cè)速儀[5]或者粒子成像設(shè)備(PIV)[6]測(cè)量了輔助噴嘴匯入異形筘道內(nèi)流場(chǎng)中心軸線速度，分析了輔助噴嘴入口壓力、輔助噴嘴間距等參數(shù)對(duì)異形筘道內(nèi)氣流速度的影響，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)于小孔徑高速氣流具有相當(dāng)難度，而且對(duì)于設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求較高。

近年來使用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值仿真已成為趨勢(shì)。Song等[7]通過數(shù)值仿真了1個(gè)主噴嘴和1個(gè)輔助噴嘴合成流場(chǎng)特性，改變輔助噴嘴噴射角度，得到不同引緯系統(tǒng)下輔助噴嘴的最佳噴射角度。Jim等[8]建立了一個(gè)簡化的輔助噴嘴流場(chǎng)的數(shù)值模型，討論了入口壓力、噴嘴直徑和噴射角度對(duì)中心軸線速度的影響。Jin等[9]數(shù)值模擬了1個(gè)主噴嘴和1個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道的流場(chǎng)，通過有限體積數(shù)值方法得到了異形筘道的速度分布。Jiang等[10]研究了1個(gè)主噴嘴和1個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道中合成流場(chǎng)的穩(wěn)定性，討論了主噴嘴與第1個(gè)輔助噴嘴位置、輔助噴嘴噴射角對(duì)合成流場(chǎng)的影響。王衛(wèi)華等[11]數(shù)值模擬了輔助噴嘴與異形筘組合流場(chǎng)，得到了輔助噴嘴出口射流中心線上的速度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果。陸慶等[12]數(shù)值模擬了主噴嘴與輔助噴嘴匯入異形筘道內(nèi)合成流場(chǎng)的特性，并使用畢托管測(cè)量了主噴嘴和輔助噴嘴合成流場(chǎng)軸向氣流速度，表明主噴嘴壓力在0.3～0.4 MPa范圍內(nèi)，氣流整體衰減趨勢(shì)是相同的。楊國仲等[13]研究了異形筘唇寬、主噴嘴導(dǎo)紗管位置等參數(shù)對(duì)引緯氣流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明主噴嘴導(dǎo)紗管在筘道中心和機(jī)后偏移2 mm處為最佳安裝位置。

現(xiàn)有的研究主要局限在單個(gè)主噴嘴或者單個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道內(nèi)中心軸線速度，對(duì)于主噴嘴加多個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道合成流場(chǎng)分布的研究還很缺乏。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，一般使用2～3個(gè)輔助噴嘴為1組，用同一個(gè)電磁閥控制1組輔助噴嘴，因此，非常有必要研究1組輔助噴嘴匯入異形筘內(nèi)的氣流速度，本文研究了1組輔助噴嘴匯入異形筘道中合成流場(chǎng)特性。通過以3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的1組圓孔、三角形孔和星形孔輔助噴嘴為對(duì)象，考慮輔助噴嘴與異形筘的相互作用，建立1個(gè)主噴嘴和3個(gè)輔助噴嘴合成流場(chǎng)數(shù)值模型，求解3種不同輔助噴嘴合成流場(chǎng)速度分布，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的正確性，分析輔助噴嘴不同結(jié)構(gòu)、間隔距離和供氣壓力對(duì)合成流場(chǎng)速度的影響。以期為優(yōu)化輔助噴嘴結(jié)構(gòu)、提高噴氣織機(jī)引緯效率并降低能耗提供理論參考。

1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)模型

1.1 輔助噴嘴幾何模型

輔助噴嘴結(jié)構(gòu)由底座、套筒及噴管等組成，其中噴管是由不銹鋼薄壁扁管制成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—底座； 2—套筒； 3—噴管。圖1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Auxiliary nozzle structure

噴管頭端扁平，開有噴氣孔,噴孔平面有傾角，噴射方向指向筘道，噴射角α一般為8°～9°。管套又與底座用螺絲釘按一定角度β定位，稱為噴向角，一般為4°～6°。噴射角α和噴向角β決定了氣流能否準(zhǔn)確射向異形筘道。

目前廣泛使用的輔助噴嘴主要為圓孔、三角形孔和星形孔等。根據(jù)輔助噴嘴實(shí)物，進(jìn)行1∶1三維建模，單圓孔輔助噴嘴如圖2所示。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。單圓孔直徑為1.5 mm，入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。正三角形孔如圖3所示，邊長都為2 mm，入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。

圖2 單圓孔輔助噴嘴圖Fig.2 Signal circular hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

圖3 正三角形孔輔助噴嘴圖Fig.3 Triangle hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

圖4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°。

圖4 星形孔輔助噴嘴圖Fig.4 Star hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

1.2 合成流場(chǎng)幾何模型

利用三維建模軟件Solidworks建立1個(gè)主噴嘴、3個(gè)輔助噴嘴和異形筘道組成的合成流場(chǎng)的三維幾何模型，3個(gè)輔助噴嘴具有相同的規(guī)格，輔助噴嘴間隔為60 mm，幾何模型如圖5所示。

圖5 3個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘合成流場(chǎng)幾何模型Fig.5 Geometric model of flow field of three auxiliary nozzles converging into reed. (a)Geometry model of profiled reed; (b)Geometric model of synthetic flow field

1.3 合成流場(chǎng)網(wǎng)格模型和邊界條件設(shè)置

將從Solidworks中導(dǎo)出的x_t類型文件導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行流體抽取，模型處理和網(wǎng)格劃分在ICEM中完成，考慮輔助噴嘴與異形筘道合成流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、計(jì)算資源和數(shù)值耗散性要求，輔助噴嘴部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，異形筘流體采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，最終網(wǎng)格數(shù)量為2.6×107個(gè)。設(shè)置的邊界條件為：主噴嘴速度入口，輔助噴嘴壓力入口，壓力出口為0.1 MPa，其他面為默認(rèn)壁面，壁面設(shè)置為絕熱無滑移壁面條件，網(wǎng)格模型與邊界條件如圖6所示。

圖6 主輔噴嘴匯入異形筘合成流場(chǎng)網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh generation of synthetic flow field of main and auxiliary nozzles into reed

2 Fluent數(shù)值求解分析

利用Fluent進(jìn)行數(shù)值求解，壓縮空氣經(jīng)主噴嘴、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。主噴嘴和輔助噴嘴的射流輔助引緯運(yùn)動(dòng)，均可視為可壓縮射流的高速聚束流動(dòng)。噴管內(nèi)流場(chǎng)為可壓縮黏性流體，外流場(chǎng)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k-ε雙方程湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面對(duì)近壁區(qū)進(jìn)行處理。采用密度基求解器下的隱式求解器，可以獲得較高精度的解。主噴嘴速度入口參數(shù)設(shè)定為：入口速度130 m/s，湍動(dòng)能耗散率52 625.21 m2/s3，湍動(dòng)能21.05 m2/s2，輔助噴嘴壓力設(shè)置如表1所示。

表1 輔助噴嘴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 實(shí)驗(yàn)方案

主噴嘴和輔助噴嘴匯入異形筘中的引緯氣流視為可壓縮空氣,采用畢托管測(cè)量出總壓和靜壓，動(dòng)壓等于總壓和靜壓之差，可以計(jì)算出氣流速度。計(jì)算公式為

式中:ρ為氣流密度，g/L;p為畢托管測(cè)得的氣流動(dòng)壓,MPa;k為畢托管修正系數(shù),通常為0.99～1.01。

利用電磁閥控制主噴嘴和輔助噴嘴的啟閉時(shí)間，用刻度尺在畢托管探測(cè)頭上標(biāo)記位置，然后將探頭伸入異形筘道內(nèi)，逐步測(cè)量筘道內(nèi)沿主噴嘴導(dǎo)紗管中心軸線速度，采用智能壓力傳感器測(cè)試，經(jīng)過差壓變送器輸入到NI速度采集卡，再通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得該點(diǎn)的氣流速度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 主輔噴嘴射流匯入異形筘道內(nèi)氣流測(cè)試裝置Fig.7 Nozzles and profiled reed of flow field test device

實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定主噴嘴與第1個(gè)輔助噴嘴間距為20 mm,其他輔助噴嘴間距在50～80 mm范圍可以調(diào)整，輔助噴嘴的噴向角均可調(diào)整。

4 結(jié)果與討論

4.1 圓形單孔輔助噴嘴數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

以單圓孔輔助噴嘴筘道內(nèi)流場(chǎng)作為研究對(duì)象，測(cè)量輔助噴嘴供氣壓力為0.2 MPa時(shí)異形筘道內(nèi)合成流場(chǎng)中心軸線速度。在輔助噴嘴供氣壓力為0.2 MPa，輔助噴嘴間距為50 mm時(shí)，對(duì)單圓孔輔助噴嘴數(shù)值仿真得到的異形筘道內(nèi)合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 3個(gè)輔助噴嘴合成流場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.8 Numerical simulation and experimental verification of synthetic flow field of three auxiliary nozzles

從圖8可以看出，數(shù)值模擬得到的合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度幅度比實(shí)驗(yàn)數(shù)值略小，由附壁射流原理可知，測(cè)量時(shí)所選取筘道徑向截面處的測(cè)量點(diǎn)更靠近筘道內(nèi)壁面，靠近壁面處的射流速度更大，導(dǎo)致二者速度出現(xiàn)差異，但模擬值和實(shí)驗(yàn)值速度曲線變化趨勢(shì)大致相同，表明該合成流場(chǎng)模型計(jì)算數(shù)據(jù)具有可靠性，可以用來分析合成流場(chǎng)特性。

4.2 孔型對(duì)中心軸線氣流速度影響

輔助噴嘴入口壓力為0.4 MPa，單圓孔、正三角形孔、星形孔輔助噴嘴間距均為50 mm時(shí)，合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度對(duì)比如圖9所示?？煽闯觯谙嗤鈮毫ο?，不同出口形狀的輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度分布衰減趨勢(shì)大致相同，但在速度峰值上可看出明顯差異。正三角形孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線速度最高，對(duì)紗線牽引力最大。星形孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度峰值僅次于正三角形輔助噴嘴，速度波動(dòng)變化最小，紗線在其合成流場(chǎng)中飛行最為平穩(wěn)。單圓孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)氣流特性相對(duì)來說最差，在0.13 m處速度衰退較大，這種速度的衰退會(huì)對(duì)紗線飛行的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的干擾。

圖9 孔型對(duì)中心軸線氣流速度的影響Fig.9 Effect of pass on air velocity along central axis

1個(gè)主噴嘴和3個(gè)輔助噴嘴自由噴射流場(chǎng)匯入異形筘合成速度云圖如圖10所示。可看出，3種孔形輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線速度具有相同的特點(diǎn)，主噴嘴射流在進(jìn)入筘道時(shí)，氣流速度較大，對(duì)合成流場(chǎng)流速產(chǎn)生主要影響，隨著中心線上距離增加，主噴嘴射流開始擴(kuò)散，中心軸線氣流速度產(chǎn)生波動(dòng)并大幅度下降，與輔助噴嘴射流匯合后，合成流場(chǎng)中心軸線氣流上速度有短暫的提升，由于輔助噴嘴氣流不斷地匯入和擴(kuò)散，中心軸線氣流速度產(chǎn)生波動(dòng)，異形筘道內(nèi)平均速度穩(wěn)定在70～90 m/s，使緯紗在筘道中能穩(wěn)定獲得飛行速度進(jìn)入經(jīng)紗，在主噴嘴與輔助噴嘴射流匯合后，正三角形孔輔助噴嘴組成的合成流場(chǎng)其射流核心速度最大，高于單圓孔和星形孔輔助噴嘴。

圖10 0.4 MPa下3種孔型速度分布云圖Fig.10 Cloud diagram of velocity distribution of three pass types at 0.4 MPa. (a)Single hole; (b)Regular triangle hole; (c)Star hole

4.3 輔助噴嘴間距對(duì)中心軸線氣流速度影響

供氣壓力為0.4 MPa下單圓孔、三角形孔、星形孔3種孔型輔助噴嘴在間距為50、60和70 mm時(shí)的中心軸線氣流速度分布曲線如圖11所示?？煽闯觯瑔螆A孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度受間距影響較大，正三角形孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)軸線氣流速度受間距影響較小，星形孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線速度受間距影響最小。當(dāng)間距為50 mm時(shí)，星形孔合成流場(chǎng)中心軸線氣流平均速度為80 m/s，峰值速度最高，波動(dòng)最小，引緯性能最優(yōu)。當(dāng)間距為70 mm時(shí)，單圓孔輔助噴嘴合成射流得不到及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致擴(kuò)散過快，其中心軸線上速度產(chǎn)生巨幅波動(dòng)，對(duì)紗線引緯極為不利。因此，噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)需要使用若干組噴嘴，各組噴嘴射流的噴射時(shí)間互相銜接。由于噴嘴核心射流不長，為了實(shí)現(xiàn)接力引緯，噴嘴間距不宜太大。

圖11 輔助噴嘴間距對(duì)中心軸線氣流速度的影響Fig.11 Effect of auxiliary nozzle spacing on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c)Star hole type

進(jìn)一步分析不同輔助噴嘴距離對(duì)氣流場(chǎng)的影響，計(jì)算得到的速度波動(dòng)率如表2所示。當(dāng)輔助噴嘴間距為60 mm時(shí)，有效區(qū)間內(nèi)的速度波動(dòng)率最小。當(dāng)輔助噴嘴間距大于70 mm時(shí)，有效區(qū)間內(nèi)的速度波動(dòng)率超過25%。

表2 不同輔助噴嘴間距下的速度波動(dòng)Tab.2 Velocity fluctuation under different auxiliary nozzle spacing

4.4 供氣壓力對(duì)中心軸線氣流速度影響

在3種不同孔型的輔助噴嘴間距為50 mm,0.2～0.4 MPa壓力下，合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度曲線如圖12所示?？梢钥闯觯S著壓力的增大，3種孔型輔助噴嘴的噴射能力增強(qiáng)，匯入的主噴嘴氣流在筘道內(nèi)得到補(bǔ)充，氣流變化趨勢(shì)與壓力成正比，中心軸線上平均速度與峰值均有明顯增加。因?yàn)槌隹谔幍臍怏w壓縮，速度升高，壓強(qiáng)降低，產(chǎn)生了膨脹波。后續(xù)的小幅度波動(dòng)，是由膨脹波和壓縮波交替出現(xiàn)產(chǎn)生的。之后當(dāng)氣體的壓力逐漸衰減到0.1 MPa之后，射流就會(huì)在大氣中自由擴(kuò)散[14]。

圖12 壓力對(duì)中心軸線氣流速度的影響Fig.12 Effect of pressure on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c) Star hole

從圖12(a)可看出,單圓孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)的前2個(gè)位置輔助噴嘴射流匯合速度受壓力影響不大，從第3個(gè)輔助噴嘴位置開始，速度波動(dòng)幅度明顯增大，不利于緯紗的平穩(wěn)飛行。從圖12(b)可見，正三角形孔輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度受壓力影響最大，中心軸線氣流速度增幅較大，氣流集束性更好，供氣壓力增至0.4 MPa時(shí)，中心軸線氣流速度增量達(dá)到10 m/s，平均速度高于80 m/s，符合當(dāng)今噴氣織機(jī)對(duì)引緯速度的要求。從圖12(c)可看出，供氣壓力對(duì)星形孔輔助噴嘴流場(chǎng)從中心軸線氣流速度影響較小。隨著供氣壓力的增大，中心軸線氣流速度波動(dòng)減小，但只有在0.4 MPa時(shí)，平均速度才高于80 m/s，需要增加壓力而提升引緯牽引力來滿足一般織物引緯的要求，導(dǎo)致耗氣量增加，能耗過大。

4.5 孔型尺寸對(duì)中心軸線氣流速度影響

供氣壓力為0.4 MPa，輔助噴嘴間距為70 mm的情況下，單圓孔、三角形孔、星形孔3種孔型輔助噴嘴在不同孔徑下的中心軸線氣流速度分布如圖13所示。可看出，在相同供氣壓力和輔助噴嘴間距下，同種形狀不同尺寸的輔助噴嘴合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度分布衰減趨勢(shì)大致相同，但在速度峰值上存在明顯差異。圓形噴嘴直徑為1.0 mm時(shí)，合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度峰值較大，集束性較好；正三角形輔助噴嘴邊長為1.0 mm時(shí)，合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度峰值較大，邊長為1.5 mm時(shí)集束性最好；星形輔助噴嘴周長為1.5π mm時(shí)，合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度峰值最大，集束性最好。因此，在引緯時(shí)，各組噴嘴射流的噴射時(shí)間互相銜接。由于噴嘴核心射流不長，為了實(shí)現(xiàn)接力引緯，噴嘴尺寸不宜太大。

圖13 孔型尺寸對(duì)中心軸線氣流速度的影響Fig.13 Effect of pass size on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c) Star hole

5 結(jié) 論

本文數(shù)值仿真了單圓孔、正三角形孔和星形孔3種輔助噴嘴匯入異形筘道合成流場(chǎng)分布，可為提高輔助噴嘴引緯穩(wěn)定性提供參考，主要結(jié)論如下。

1)輔助噴嘴間距對(duì)引緯速度的影響非常明顯。尤其對(duì)于圓孔輔助噴嘴，當(dāng)間距為70 mm時(shí)，中心軸線氣流速度峰值與估值波動(dòng)最大，合成氣流最不穩(wěn)定，會(huì)影響織物質(zhì)量和引緯效率。

2)輔助噴嘴供氣壓力為0.2～0.4 MPa時(shí)，3種孔型輔助噴嘴中心軸線氣流速度都有很好的一致性。隨著供氣壓力的增大，合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度明顯增大，供氣壓力為0.3 MPa時(shí)，基本可以滿足高速引緯的需求。

3)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)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、正三角形孔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。

4)輔助噴嘴的尺寸對(duì)引緯速度也有很大影響，在相同的供氣壓力和輔助噴嘴間距下，相比于大尺寸的輔助噴口，尺寸更小時(shí)合成流場(chǎng)中心軸線氣流速度峰值更大，集束性更好，具有更好的引緯平穩(wěn)性，當(dāng)圓形噴嘴直徑為1.0 mm，正三角形邊長為1.0 mm，星形噴嘴周長為1.5π mm時(shí)，引緯效果最佳。

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