噴嘴參數(shù)對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)流場(chǎng)特性的影響研究

王青　葉明露　梁高翔　盛曉超　高帥

摘要： 為明確噴氣渦流紡紗的紡紗機(jī)理，研究噴嘴中噴孔數(shù)量、噴孔傾角和供氣壓力對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)流場(chǎng)的影響情況，文章采用Fluent軟件進(jìn)行噴氣渦流紡的內(nèi)流場(chǎng)模擬分析。通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：噴孔數(shù)量和供氣壓力對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響較為顯著，隨著噴孔數(shù)量和供氣壓力的增加，噴嘴內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)顯著增強(qiáng)，對(duì)紗線(xiàn)自由端纖維的加捻效果也增強(qiáng);噴孔傾角大小對(duì)噴孔出口氣流速度影響較小，但隨著傾角增大，進(jìn)入渦流管內(nèi)的氣流切向速度分量增大，對(duì)自由端纖維的加捻效果增強(qiáng)，紗線(xiàn)包纏越緊密，其強(qiáng)度也越高;噴孔數(shù)量、傾角和供氣壓力的變化都不會(huì)改變流場(chǎng)速度分布規(guī)律，只是改變了其值的大小，且隨著氣流的螺旋推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，氣流速度不斷衰減，說(shuō)明氣流在對(duì)紗線(xiàn)加捻的過(guò)程中要消耗大量的動(dòng)能。

關(guān)鍵詞： 噴氣渦流紡;噴嘴參數(shù);數(shù)值模擬;流場(chǎng)特性分析;紡紗機(jī)理;加捻效果

中圖分類(lèi)號(hào)： TS103.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10017003（2022）04003906

引用頁(yè)碼： 041106DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.04.006（篇序）

噴氣渦流紡是一種在氣流加捻腔內(nèi)利用高速旋轉(zhuǎn)氣流加捻自由端纖維成紗的新型紡紗技術(shù)，該紡紗技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)環(huán)錠紡，省去了粗紗環(huán)節(jié)，集細(xì)紗、絡(luò)筒、卷繞成形工序于一體，縮短了紡紗流程。因此，近年來(lái)日益受到紡紗企業(yè)的青睞，是目前世界上最先進(jìn)的紡紗技術(shù)，也是一種非常具有市場(chǎng)前景的紡紗新技術(shù)。

針對(duì)噴氣渦流紡紗技術(shù)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作。Tyagi等[1-2]采用正交分解實(shí)驗(yàn)，研究了前羅拉鉗口到空心錠子入口距離與成紗結(jié)構(gòu)的相關(guān)性;Ortlek等[3]和Kuthalam等[4-5]，Basal等[6]研究了噴氣渦流紡空心錠子直徑對(duì)成紗性能的影響;Naylor等[7]分析了試紡纖維長(zhǎng)度與氣流加捻過(guò)程中落纖率的相關(guān)性;Eldeed等[8]以瑞士立達(dá)噴氣渦流紡紗機(jī)的噴嘴結(jié)構(gòu)為對(duì)象，采用數(shù)值方法對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了分析。陳彩紅等[9]，任玉斌[10]研究了噴孔數(shù)量、傾角對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的影響;鄒專(zhuān)勇等[11-12]研究了噴嘴內(nèi)流場(chǎng)特性，初步解釋了噴氣渦流紡紗機(jī)理;尚珊珊等[13-14]研究了初始引紗過(guò)程和正常穩(wěn)定紡紗過(guò)程中流場(chǎng)流動(dòng)特性，并通過(guò)對(duì)噴嘴內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)氣流動(dòng)力學(xué)特性及紗體運(yùn)動(dòng)三維數(shù)值模擬分析，揭示了噴氣渦流紡紗過(guò)程中噴嘴內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)氣流的流動(dòng)規(guī)律等;韓晨晨等[15-17]采用有限元方法分析了纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，且提出了一種自捻型噴氣渦流紡的創(chuàng)新技術(shù);郭臻等[18]建立纖維的三維運(yùn)動(dòng)模型，分析了纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和變形情況。綜上分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴氣渦流紡進(jìn)行了大量研究，主要集中于對(duì)噴氣渦流紡中噴嘴、空心錠子的部分結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性及成紗性能的影響分析，纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性分析，以及單獨(dú)的噴孔數(shù)量、傾角對(duì)流場(chǎng)的影響分析，而同時(shí)針對(duì)噴孔傾角、數(shù)量和供氣壓力大小等參數(shù)對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)流場(chǎng)影響的研究較少。鑒于此，本文基于數(shù)值方法，詳細(xì)研究噴孔數(shù)量、噴孔傾角和供氣壓力大小對(duì)噴氣渦流紡內(nèi)流場(chǎng)的影響情況，為噴氣渦流紡噴嘴的設(shè)計(jì)研究提供一定的理論參考。

1模型建立

1.1噴嘴結(jié)構(gòu)建模

參考日本村田公司的MVS型噴氣渦流紡紗機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)模型，本文建立噴嘴結(jié)構(gòu)模型，包含噴氣孔（簡(jiǎn)稱(chēng)噴孔）、空心錠子、渦流管（噴嘴和空心錠子間形成的氣流流動(dòng)空間）等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。高壓氣流經(jīng)過(guò)噴孔進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，在渦流管內(nèi)部形成高速旋轉(zhuǎn)氣流，完成對(duì)紗線(xiàn)的加捻作用。

1.2網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM軟件進(jìn)行噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分，考慮到噴孔、渦流管等結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此劃分網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（即四面體網(wǎng)格），如圖2所示。同時(shí)對(duì)噴孔和渦流管等結(jié)構(gòu)尺寸小、且內(nèi)部流場(chǎng)變化最為劇烈的區(qū)域，為精確地捕獲紡紗過(guò)程中的氣流特性，本文采用密度盒加密方法進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，如圖3所示。

1.3邊界條件設(shè)置

根據(jù)氣流流動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)置噴嘴入口為壓力入口1，噴孔入口為壓力入口2;設(shè)置噴嘴出口為壓力出口1，空心錠出口為壓力出口2，如圖4所示。

2流場(chǎng)數(shù)值仿真和結(jié)果分析

設(shè)基準(zhǔn)參數(shù)為：噴孔數(shù)量5、噴孔傾角（圖1中θ角）70°、供氣壓力0.5 MPa，采用單一變量法分別研究這三個(gè)參數(shù)對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的影響情況。參考文獻(xiàn)[10，13]，確定具體研究方案如表1所示。

根據(jù)表1中三種方案，本文針對(duì)七個(gè)狀態(tài)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分，以及數(shù)值模擬仿真。

2.1噴孔數(shù)量對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的影響分析

噴孔數(shù)量不同對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖5—圖7所示。由氣流靜壓、動(dòng)壓與速度之間的關(guān)系可知：氣流速度高時(shí)，氣流靜壓低，即由氣流速度分布可以間接得到靜壓分布，因此本文后續(xù)僅對(duì)氣流速度進(jìn)行分析。

分析圖5—圖7發(fā)現(xiàn)：1） 由于噴孔內(nèi)部和渦流管之間存在巨大壓力差，使得氣流在噴孔內(nèi)加速，在噴孔出口處達(dá)到最大，且已達(dá)超音速，為463 m/s左右（圖5）。2） 噴孔數(shù)量從4個(gè)增加到6個(gè)時(shí)，噴孔出口處的氣流速度差很小，原因在于雖然噴孔數(shù)量增加，但是各噴孔的供氣壓力一樣大，且噴孔尺寸規(guī)模一樣大，因此氣流在各噴孔中加速性相當(dāng)（圖6）。3） 噴孔數(shù)量從4個(gè)增加到6個(gè)時(shí)，噴嘴內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)顯著增強(qiáng)（圖7），對(duì)自由端纖維的加捻效果也增強(qiáng)。因此，在噴嘴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的前提下，可以盡量增加噴孔的數(shù)量。

2.2噴孔傾角對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的影響分析

由于各種狀態(tài)的速度云圖、速度矢量圖等比較類(lèi)似，且速度流線(xiàn)圖同時(shí)包含了較多速度云圖和速度矢量圖信息，因此限于篇幅，下文僅給出速度流線(xiàn)圖，而速度云圖和速度矢量圖不再給出。圖8為噴孔角度不同時(shí)渦流管內(nèi)氣流的速度流線(xiàn)圖。

分析圖8發(fā)現(xiàn)：1） 當(dāng)噴孔傾角逐漸增大時(shí)，噴孔內(nèi)部流場(chǎng)的速度峰值在458～472 m/s逐漸增大，且增幅較小。分析其原因在于隨著噴孔傾角增大，噴孔長(zhǎng)度略有增加，氣流加速段略有增長(zhǎng)，噴嘴出口氣流速度隨之增大。2） 噴孔傾角越大，氣流從噴孔進(jìn)入渦流場(chǎng)時(shí)沿著噴嘴周向的氣流速度分量越大，因此對(duì)紗線(xiàn)的加捻特性越好，紗線(xiàn)包纏的越緊密，紗線(xiàn)強(qiáng)度越高。但是噴孔傾角進(jìn)一步增大，會(huì)導(dǎo)致氣流沿著噴嘴周向的氣流速度分量進(jìn)一步增大，軸向氣流速度減小，紗線(xiàn)包纏更加緊密，使得紗線(xiàn)表現(xiàn)較硬，斷裂伸長(zhǎng)率降低，紗線(xiàn)易斷裂。因此，傾角最佳數(shù)值的確定，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，并綜合考慮噴孔數(shù)量、供氣壓力等參數(shù)的影響。

2.3供氣壓力對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的影響分析

圖9為不同供氣壓力條件下，渦流管內(nèi)氣流的速度流線(xiàn)圖。分析圖9可知：1） 當(dāng)供氣壓力從0.3 MPa提高到0.5 MPa時(shí)，噴孔出口氣流速度從396 m/s增大到464 m/s，即隨著供氣壓力的增大，氣流速度峰值顯著增大。這是因?yàn)楣鈮毫υ酱螅瑖娍變?nèi)部和渦流管之間壓差越大，噴孔中氣流加速性越好。2） 供氣壓力越大，渦流管內(nèi)氣流速度越高，氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也越強(qiáng)，對(duì)紗線(xiàn)的加捻效果提高，因此供氣壓力對(duì)噴嘴內(nèi)部的流場(chǎng)特性影響顯著，應(yīng)該在考慮耗氣量的前提下盡可能提高供氣壓力。

此外，綜合分析圖7—圖9發(fā)現(xiàn)：隨著噴孔數(shù)量、傾角和供氣壓力大小的變化，渦流管中氣流速度分布規(guī)律基本不變;氣流在向噴嘴出口螺旋式推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣流速度逐漸衰減，說(shuō)明氣流在對(duì)纖維加捻過(guò)程中，需要消耗大量的動(dòng)能。

3結(jié)論

本文基于數(shù)值方法，采用單一變量法依次研究了噴孔數(shù)量、噴孔傾角和供氣壓力對(duì)噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)流場(chǎng)特性的影響情況，可得出結(jié)論：1） 氣體經(jīng)噴孔進(jìn)入渦流管之后，在噴嘴內(nèi)部形成高速旋轉(zhuǎn)氣流，該旋轉(zhuǎn)氣流對(duì)自由端纖維實(shí)現(xiàn)了加捻作用，且旋轉(zhuǎn)氣流在向前推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度不斷衰減，說(shuō)明氣流在對(duì)纖維加捻的同時(shí)需要消耗大量的動(dòng)能;2） 隨著噴孔傾角、噴孔數(shù)量和供氣壓力的不斷增大，渦流管中氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均增強(qiáng)，對(duì)自由端纖維的加捻效果提高。因此，在噴氣渦流紡紗機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證噴嘴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量設(shè)計(jì)較多的噴孔，同時(shí)增大噴孔傾角和供氣壓力，可有效提高對(duì)自由端纖維的加捻效果。

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Influence of nozzle parameters on the characteristics of the internal flow field in air-jet vortex spinningWANG Qing， YE Minglu， LIANG Gaoxiang， SHENG Xiaochao， GAO Shuai（School of Mechanical and Electrical Engineering， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China）

Abstract： Air-jet vortex spinning is a new spinning technology， which uses high speed rotating airflow to twist free-end fibers into yarns in the air twisting chamber. This technology emitting the roving process integrates spinning， winding and winding molding processes， shortening the spinning process and making itself the most advanced and promising new spinning technology in the world. At present， air-jet vortex spinning machines are mainly imported from Japan. The main reason is that the twisting mechanism of air-jet vortex spinning has not been fully grasped by Chinese. Thus， many scholars have carried out relevant studies which mainly focus on the influence of structure and process parameters of nozzles and hollow spindles on the flow field characteristics and yarn forming performance， the motion characteristics of the fibers in the flow field， as well as the influence of the numbers and inclination angles of jet orifices on the flow field. There are few studies on the influence of numbers， inclination angles of jet orifices and air supply pressures on the internal flow field of air-jet vortex spinning. In view of this， the influence of these three parameters on the internal flow field of air-jet vortex spinning is studied in detail in this paper. It can provide a theoretical reference for the design of air-jet vortex spinning nozzles.

Based on numerical method and single variable method， the influence of numbers and inclination angles of jet orifices as well as air supply pressures on the internal flow field of nozzles and twist characteristics were studied. Values of the three parameters of the reference configuration selected in this study were 5， 70° and 0.5 MPa. And the three parameters could change as [4， 5， 6]， [65°， 70°， 75°] and [0.3， 0.4， 0，5] MPa， respectively. The structure modeling， meshing and numerical simulation of the seven combined states were carried out respectively， and the velocity vector diagram and flow diagram obtained by simulation were compared and analyzed. There are four conclusions obtained. Firstly， as the number of jet orifice increases from 4 to 6， the velocity difference at the outlet of jet orifices is quite small. The reason is that： although the jet orifices increase， the air supply pressures， and the length of each jet orifice remain unchanged. As a result， the airflow accelerates equally in each jet orifice. However， with the increase of jet orifices， the rotational motion of airflow in the nozzle as well as the twisting effect on the free-end fiber are enhanced. Thus， the jet orifices can be increased as many as possible on the premise that nozzles have sufficient structure strength. Secondly， when the inclination angles increase， the speed of the internal flow field in the nozzle increases from 458 m/s to 472 m/s gradually. And the velocity component along the circumferential direction increases when the airflow enters the vortex tube from the jet orifice. Thus， the yarn twists better， wraps tighter and the strength of yarn is higher. Whereas， when the inclination angle further increases， the circumferential airflow velocity along the nozzle will further increase， and the axial airflow velocity will decrease. As a result， the yarn will be more tightly wrapped， which makes the yarn harder and easier to fracture. In consequence， the number of jet orifices， air supply pressures and other parameters should be considered comprehensively to determine the optimal value of inclination angle combined with the experiment. Thirdly， the higher the air supply pressure， the higher the airflow velocity in the vortex tube， the stronger the airflow rotation motion， and the better the yarn twisting effect. Therefore， the air supply pressure has a significant influence on the flow field characteristics inside the nozzle. And the air supply pressure should be increased as much as possible when considering the gas consumption. Fourthly， with the change of jet orifice numbers， inclination angles and air supply pressures， the flow velocity distribution in the vortex tube is basically unchanged.

In conclusion， when we design the nozzle structure of air-jet vortex spinning machines， jet orifices should be designed as many as possible on the premise of sufficient nozzle structure strength， and inclination angles of jet orifices and air supply pressures should be increased at the same time. In this way， the twisting effect of free-end fiber can be improved effectively.

Key words： air-jet vortex spinning; nozzle parameters; numerical simulation; flow field characteristic analysis; spinning mechanism; twisting effect