陣列多孔式輔助噴嘴和異型筘組合流場(chǎng)特性

肖世超，沈敏，2*，何為，周浩邦

(1.武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430200；2.湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430200)

噴氣織機(jī)具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)種類(lèi)多等優(yōu)點(diǎn)，已成為應(yīng)用最廣泛的無(wú)梭織機(jī)[1]。主、輔噴嘴噴射出高速氣流匯合進(jìn)入異形筘，牽引緯紗飛過(guò)梭口。引緯過(guò)程中，輔助噴嘴耗氣量占整機(jī)的70%～80%，并且主、輔噴嘴組合流場(chǎng)的分布影響織物的最終質(zhì)量[2]。深入研究引緯組合流場(chǎng)特性，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)輔助噴嘴，降低噴氣織機(jī)的能耗并提高織物質(zhì)量，具有重要的理論參考和應(yīng)用價(jià)值。

目前，對(duì)噴氣織機(jī)主噴嘴和輔助噴嘴的射流研究集中采用實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬。Belforte[3]采用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)輔助噴嘴的射流速度和耗氣量。錢(qián)怡等[4]數(shù)值模擬了兩個(gè)輔助噴嘴射流疊加組合的流場(chǎng)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了軸向氣流速度，驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果。Cui等[5]數(shù)值分析了主、輔噴嘴射流匯合進(jìn)入異形筘槽引緯組合氣流沿主噴嘴中心軸線(xiàn)速度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果正確性，主噴嘴距第一輔噴45～50 mm是合理的, 輔嘴的噴射角在7°時(shí)氣流交匯效果較好。Jin等[6]數(shù)值模擬了輔助噴嘴射流匯入異型筘道內(nèi)的流場(chǎng)，分析了異形筘開(kāi)口角度對(duì)組合流場(chǎng)特性的影響。陸慶等[7]數(shù)值模擬了兩組單圓孔輔助噴嘴匯入異形筘的組合流場(chǎng)，表明主輔噴嘴供氣壓力差值范圍在0.05～0.1 MPa能提升引緯速度且耗散較慢。

孔雙祥等[8]數(shù)值模擬了錐形孔、單圓孔、矩形孔、正三角形孔4種輔助噴嘴的三維流場(chǎng)，表明錐形孔適合重磅織物引緯，單圓孔適合大多數(shù)織物引緯。胥光申等[9]數(shù)值模仿真了多孔輔噴射流流場(chǎng)，表明中心環(huán)形分布方式的輔助噴嘴優(yōu)于環(huán)形分布的輔助噴嘴。李斯湖等[10]數(shù)值分析了輔噴結(jié)構(gòu)參數(shù)和供氣壓力對(duì)單個(gè)輔噴射流流場(chǎng)分布的影響，表明星形輔噴在氣流集束性、引緯平穩(wěn)性、耗氣量方面均有優(yōu)良表現(xiàn)。陳永當(dāng)?shù)萚11]數(shù)值模擬了單個(gè)圓孔輔噴和四類(lèi)環(huán)形槽出口的三維流場(chǎng)，結(jié)果表明異形孔可以提升輔助噴嘴的引緯穩(wěn)定性并降低能耗。

然而，現(xiàn)有研究大都集中于單個(gè)主噴或者輔噴射流，對(duì)于主噴射流與多孔陣列式輔助噴嘴射流，匯入異形筘槽內(nèi)，其組合流場(chǎng)的成果較少見(jiàn)到。因此，現(xiàn)設(shè)計(jì)兩種多孔陣列式輔助噴嘴，由橢圓孔陣列形成的輔助噴嘴，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)主、輔嘴和異形筘的組合流場(chǎng)就行數(shù)值仿真，以探討輔助噴嘴的噴孔形狀、陣列方式對(duì)組合流場(chǎng)速度和引緯穩(wěn)定性的影響。

1 陣列多孔式輔助噴嘴

壓縮空氣在輔助噴嘴中流動(dòng)時(shí)，與外界不產(chǎn)生熱交換，氣流速度以亞聲速為主，流經(jīng)狹小流道時(shí)可達(dá)到超音速，當(dāng)氣流由輔助噴嘴內(nèi)壁飛出后，由于空氣的卷吸運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散進(jìn)入異形筘流道。輔助噴嘴出口截面形狀和安裝角度等因素會(huì)極大影響流場(chǎng)特性。實(shí)際工程中多用單圓孔輔助噴嘴，輔噴氣流入口直徑4.4 mm，出口直徑為1.5 mm，壁厚0.5 mm,噴向角α為8°，A-A截面是輔噴入口結(jié)構(gòu)，D區(qū)域內(nèi)為輔噴出口局部放大圖。具體尺寸如圖1所示。

圖1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

保持單圓孔輔噴出口面積不變(1.767 2 mm2)，設(shè)計(jì)了兩種異形孔輔助噴嘴，除出口形狀和參數(shù)與單圓孔輔噴不同，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與單圓孔輔噴一致，如圖2所示。單圓孔輔助噴嘴出口直徑為1.5 mm, A1號(hào)為3個(gè)橢圓陣列，其長(zhǎng)軸半徑0.75 mm，短半軸半徑0.25 mm，中心距離均1.1 mm；A2號(hào)輔助噴嘴與A1號(hào)輔助噴嘴參數(shù)相同，僅改變單個(gè)橢圓分布位置，中心距為1.47 mm。

圖2 輔助噴嘴截面參數(shù)

2 組合流場(chǎng)建模

2.1 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks建立主噴嘴、3個(gè)輔助噴嘴加異形筘組合的三維幾何模型，第1個(gè)輔助噴嘴與異形筘左側(cè)面間距為55 mm，其余輔噴間距70 mm，如圖3所示。

圖3 多個(gè)輔助噴嘴組合異形筘幾何三維模型

2.2 邊界條件和求解器設(shè)定

選用專(zhuān)業(yè)軟件ICEM劃分三維流場(chǎng)的網(wǎng)格，異形筘用六面體網(wǎng)格，輔噴用四面體網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格約69萬(wàn)個(gè)。分別設(shè)置主噴嘴出口速度、輔助噴嘴入口壓力和壓力出口，其他為剛性壁面，如圖4所示。

圖4 主、輔噴嘴射流三維流場(chǎng)網(wǎng)格劃分圖

主噴邊界條件設(shè)定為：入口速度為150 m/s，湍動(dòng)能k為21.05 m2/s2，湍動(dòng)能耗散率ε為52 625.21(kg·m2)/s3，壓力出口總壓設(shè)置為101.325 kPa,輔助噴嘴邊界條件設(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

2.3 Fluent 參數(shù)設(shè)置

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中檢查，進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)求解。壓縮空氣經(jīng)噴嘴加速，噴管內(nèi)流體為可壓縮黏性流體，外場(chǎng)屬于高雷諾數(shù)的湍流，且流動(dòng)曲線(xiàn)彎曲程度大,雷諾數(shù)(Reynolds number)Re值高，故采用雷諾應(yīng)力湍流模型(Reynolds stress meodel)，流體介質(zhì)設(shè)置為理想氣體，采用密度基隱式求解進(jìn)行計(jì)算，迭代10 000次。

3 實(shí)驗(yàn)方案

主輔噴嘴射流匯入異形筘槽內(nèi)流速測(cè)試原理，如圖5所示。將畢托管的感測(cè)頭放在標(biāo)記好距離的異形筘槽內(nèi)，采用智能壓力傳感器測(cè)試畢托管的壓力，經(jīng)過(guò)差壓變送器輸入采集卡，測(cè)得的標(biāo)記處的氣流的總壓和靜壓，計(jì)算得到異形筘槽內(nèi)沿緯紗中心軸向的氣流速度，再通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行和數(shù)據(jù)處理，可獲得該點(diǎn)的氣流速度為

圖5 主輔噴嘴射流流速測(cè)試原理圖

(1)

式(1)中:ρ為氣流密度;P為畢托管測(cè)量得到的氣流動(dòng)壓;λ為畢托管修正系數(shù),通常為0.99～1.01。

如圖6所示，設(shè)定主噴嘴與第一個(gè)輔助噴嘴間距為55 mm,其他輔助噴嘴間距70 mm，噴向角α為8°。在氣流穩(wěn)定后，紗線(xiàn)的飛行方向即可代表組合氣流方向，用刻度尺在畢托管探測(cè)頭上標(biāo)記位置，再將探頭伸入異形筘槽內(nèi)，逐步測(cè)量筘槽內(nèi)每一點(diǎn)速度。

圖6 噴嘴速度測(cè)試裝置

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值模型驗(yàn)證

在供氣壓力為0.3 MPa時(shí)，比較數(shù)據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比單圓孔主輔噴嘴沿主氣流中心軸線(xiàn)速度。如圖7所示，兩者速度變化曲線(xiàn)趨勢(shì)相同，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)整體略大于軟件模擬數(shù)據(jù)，原因是測(cè)量時(shí)選取的筘道徑向截面處測(cè)量點(diǎn)更靠近壁面，而靠近壁面的射流速度更大，兩者速度因此出現(xiàn)少量差異。表明建立的組合流場(chǎng)模型可用于預(yù)測(cè)主輔噴嘴組合流場(chǎng)。

圖7 實(shí)驗(yàn)仿真模擬對(duì)比圖

4.2 多孔式輔噴組合流場(chǎng)軸線(xiàn)速度變化情況

圖8為組合流場(chǎng)速度隨輔噴形式變化。

從圖8中可見(jiàn)，單圓孔、A1號(hào)和A2號(hào)異性孔輔助噴嘴組合流場(chǎng)軸線(xiàn)速度變化趨勢(shì)一致。主噴氣流進(jìn)入異形筘，由于空氣的卷吸作用，迅速擴(kuò)散進(jìn)度異形筘后，速度逐漸降低，每經(jīng)過(guò)一次輔噴，匯合氣流速度提升一次。隨著距離增加，氣流速度整體衰減。輔噴氣流依次匯入主噴氣流，紗線(xiàn)在組合流場(chǎng)中按氣流變化趨勢(shì)波動(dòng)前進(jìn)。其中A2號(hào)異形孔輔噴射流的引緯速度最高，單圓孔輔噴射流的速度最低，橢圓孔呈中心陣列布置，可以提升引緯效率。

圖8 不同輔噴流場(chǎng)中心線(xiàn)速度曲線(xiàn)圖

4.3 多孔式輔噴對(duì)氣流速度集束性的影響

圖9為不同陣列方式的輔噴射流進(jìn)入異形筘與主噴射流匯合后的速度流線(xiàn)會(huì)變化。單圓孔射流與主噴射流匯合后，其組合氣流的流線(xiàn)比較分散，特別是到了第三個(gè)接力輔助噴嘴，主輔噴嘴射流明顯分叉，衰減較快。A1號(hào)和A2號(hào)異形口輔噴射流與主噴射流匯合，主氣流一直都保持比較好的匯合情況，到達(dá)第三個(gè)輔噴位置時(shí)，依然保持了很好的集束性。這是由于陣列式橢圓孔輔助噴嘴具有3個(gè)小孔，噴射出三股小射流，能夠從更多的空間角度與主噴射流匯合，使得主氣流依然保持更好的集束性，引導(dǎo)緯紗穿過(guò)梭口。

圖9 不同陣列方式輔噴速度流線(xiàn)圖

如圖10所示，單圓孔輔噴、A1號(hào)異形孔和A2號(hào)異形孔射流與主噴射流匯合的速度云圖。單圓孔輔噴射流的速度云圖中只有一個(gè)核心區(qū)域，A1號(hào)異形孔輔噴和A2號(hào)異形孔輔噴射流均有多個(gè)速度核心。單圓孔輔噴射流的速度核心區(qū)域最小，長(zhǎng)度最短。A1號(hào)異形孔輔噴射流的速度核心區(qū)域更大，長(zhǎng)度有所增加。A2號(hào)異形孔射流的速度核心區(qū)面積最大，長(zhǎng)度最長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，A2號(hào)異形孔輔噴射流與主噴嘴射流匯合時(shí)，依然可以保持很好的集束性，可提高引緯穩(wěn)定性，引緯質(zhì)量最好。

圖10 輔噴射流進(jìn)入異型筘后與主噴射流匯合的速度云圖

4.4 多孔式輔噴引緯穩(wěn)定性的變化

如圖11所示，單圓孔輔噴、A1號(hào)輔噴、A2號(hào)輔噴氣流的速度矢量圖差異明顯。單圓孔輔噴流場(chǎng)在靠近引緯頭端位置，渦流回流明顯，在靠近引緯終端，湍流紊亂，速度損失較大；對(duì)比單圓孔輔噴流場(chǎng)，A1號(hào)輔噴流場(chǎng)在靠近頭端位置有少量渦流，引緯終端位置無(wú)明顯渦流，氣流速度損失更小，總體速度更高；A2號(hào)輔噴在整個(gè)異形筘內(nèi)均沒(méi)有明顯的渦流擾動(dòng)，氣流方向一致，引緯效果最優(yōu)，速度衰減最少，氣流更穩(wěn)定。

圖11 輔噴射流速度矢量圖

選取靠近主噴嘴的第一個(gè)輔噴，沿著輔噴中心軸線(xiàn)在距離輔噴出口5、10、15 mm的位置不同截面，其徑向速度分布云圖，如圖12所示。

圖12 不同位置速度云圖

3種不同出口形狀的輔噴射流，都沿中心軸線(xiàn)向外擴(kuò)散，隨著截面距離的增加，徑向速度云圖等高線(xiàn)輪廓半徑逐漸變大。在5 mm和10 mm截面處，A2號(hào)輔噴射流徑向速度的半徑明顯大于單圓孔輔噴，在較大面積內(nèi)都能保持較高的速度，衰減程度低，其中，A1號(hào)輔噴射流速度提高了5 m/s左右，A2號(hào)輔噴射流速度提高了8 m/s，A2號(hào)輔噴引緯穩(wěn)定性最優(yōu)。可見(jiàn)，A2號(hào)異形孔引緯穩(wěn)定性比單圓孔輔噴明顯提高，可替換普通單圓孔噴嘴，滿(mǎn)足高速引緯現(xiàn)代噴氣織機(jī)的引緯需求。

5 結(jié)論

分析了供氣壓力在0.3 MPa，不同形狀出口的輔噴對(duì)主、輔噴嘴射流組合流場(chǎng)的速度、集束性、湍流場(chǎng)分布和引緯穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論。

(1)多孔結(jié)構(gòu)輔助噴嘴合理布置，可以提高組合氣流中心速度，相比于單圓孔輔噴，A2號(hào)輔噴氣流速度增大了8 m/s。

(2)陣列式橢圓孔輔助噴嘴噴射出多股小射流，能夠從更多的空間角度與主噴射流匯合，提高主氣流在整個(gè)流場(chǎng)中的占比，提高引緯速度和效率。

(3)中心陣列式多孔布置方式，可以減少組合湍流場(chǎng)中的渦旋，抑制湍流紊動(dòng)。A2號(hào)異形孔輔助噴嘴組合氣流的集束性最好，引緯質(zhì)量最優(yōu)，更適合應(yīng)用于現(xiàn)代高速織機(jī)。