噴氣渦流紡噴嘴參數(shù)對內(nèi)流場特性的影響

梁高翔， 王 青， 呂緒山， 黨 帥， 李佐超

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

噴氣渦流紡是一種利用高速氣流對進(jìn)入到加捻腔內(nèi)的纖維自由端旋轉(zhuǎn)加捻的新型紡紗技術(shù)。與傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗相比，其在紡紗工序、自動化程度、紡紗速度和能源消耗等方面都有較大優(yōu)勢，且成紗條干的均勻性、毛羽指數(shù)等性能均有所改善，是目前市場上較具發(fā)展前景的紡紗技術(shù)[1-3]。因此，國內(nèi)外學(xué)者們對噴氣渦流紡紗技術(shù)和噴氣渦流紡內(nèi)流場的特性規(guī)律開展了大量研究。王青等[4]和Eldeed等[5]采用數(shù)值方法對噴嘴內(nèi)流場進(jìn)行了分析，并對噴嘴結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)提出了建議。Ortlek等[6]提出更大的空心錠子內(nèi)徑會產(chǎn)生更多的毛羽指數(shù)，Kuthalam等[7-8]認(rèn)為空心錠子內(nèi)徑過大會使包纏纖維更松弛，纖維束可以自由移動，會給粗支和中支紗帶來包纏損失、包纏松弛和毛羽增加的問題，Basal等[9]也指出較小的空心錠子直徑會降低毛羽指數(shù)。Ortlek等[10]分析了噴氣壓力和紡紗速度等工藝變化對紗線性能的影響。陳彩紅等[11]和任玉斌[12]分別采用數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)方法分析了噴孔參數(shù)對噴嘴內(nèi)流場的影響；鄒專勇等[13]、Sun等[14]和Pei等[15]研究了噴孔數(shù)量和噴孔傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對渦流場流動特征的影響，揭示了噴孔參數(shù)對氣流特性及流場內(nèi)紗線加捻的作用規(guī)律。此外，鄒專勇等[16]還研究了噴氣渦流紡噴嘴中氣流狀態(tài)和成紗的相關(guān)性。Li等[17]研究了導(dǎo)引針至空心錠子的距離對紡紗質(zhì)量的影響，認(rèn)為1.5 mm的最佳距離能使紗線獲得較好的強(qiáng)力和較少的毛羽指數(shù)。尚珊珊等[18]研究了紡紗開始時(shí)刻、以及正常紡紗過程中內(nèi)流場的氣流特性，并在流場分析中考慮了紗線的存在，分析了紗線的運(yùn)動規(guī)律[19]。韓晨晨等[20]采用有限元方法分析了纖維在流場中的運(yùn)動軌跡，且提出了一種自捻型噴氣渦流紡的創(chuàng)新技術(shù)[21]。郭臻等[22]建立纖維的三維運(yùn)動模型，分析了纖維在流場中的運(yùn)動和變形情況。袁龍超等[23]對近年來噴氣渦流紡的研究進(jìn)展做了總結(jié)，并認(rèn)為考慮纖維和氣流耦合影響關(guān)系的纖維-氣流流固耦合分析、提高噴氣渦流紡紗機(jī)適紡性的研究是今后主要研究方向。

綜上，大多數(shù)研究在分析時(shí)考慮的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)較為單一，且為了簡化模型，大都忽略了導(dǎo)引部件的影響，導(dǎo)致研究結(jié)果與真實(shí)情況有所偏差。鑒于此，課題組在考慮導(dǎo)引部件的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探究噴孔數(shù)量、噴孔傾角和供氣壓力等參數(shù)對噴氣渦流紡內(nèi)流場的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)建模

噴氣渦流紡噴嘴的作用是讓高壓氣流通過噴孔進(jìn)入加捻腔形成高速旋轉(zhuǎn)氣流，以實(shí)現(xiàn)對纖維自由端的加捻，其主要結(jié)構(gòu)圖1所示。噴嘴包括導(dǎo)引部件、噴孔、空心錠子、渦流管和引紗管。以迪卡爾坐標(biāo)系定義：空心錠子入口面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為軸向(紗體輸出方向)，如圖1(c)所示坐標(biāo)系。文中主要研究噴孔數(shù)量、傾角和供氣壓力等參數(shù)對流體域內(nèi)的壓力、速度矢量、速度流線及湍流旋渦等的影響。為方便對比分析，在流體域各方向上建立了多個(gè)截面，包括XY平面(記為R1)和渦流管中的S1,S2,S3和S4截面。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)建模Figure 1 Nozzle structure modeling

1.2 網(wǎng)格劃分

采用數(shù)值方法求解控制方程時(shí)，需要將空間連續(xù)的計(jì)算區(qū)域離散化，然后求解所有離散區(qū)域的流體計(jì)算方程，因此首先要在計(jì)算區(qū)域上進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(六面體網(wǎng)格)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(四面體網(wǎng)格)?？紤]到模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較高，課題組采用對復(fù)雜區(qū)域具有較好適應(yīng)性的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。為了更精確地捕捉氣流的流動細(xì)節(jié)特性，對噴孔和渦流管等小尺寸結(jié)構(gòu)和流場變化激烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

圖2 噴嘴內(nèi)氣流場區(qū)域的網(wǎng)格劃分Figure 2 Meshing of flow field in nozzle

1.3 邊界條件設(shè)置

如圖1所示，根據(jù)噴氣渦流紡噴嘴的實(shí)際工作狀態(tài)，將噴嘴入口和噴孔入口分別設(shè)置為壓力入口1和壓力入口2，渦流管出口和引紗管出口分別設(shè)置為壓力出口1和壓力出口2。其中，只有噴孔(壓力入口2)的壓力根據(jù)供氣壓力大小進(jìn)行設(shè)置，其余壓力入口和出口的壓力設(shè)置均為大氣壓。

課題組采用單一變量法分別研究噴孔數(shù)量、噴孔傾角和供氣壓力3個(gè)參數(shù)對噴嘴內(nèi)流場的影響情況。設(shè)基準(zhǔn)構(gòu)型參數(shù)為：噴孔數(shù)量5、噴孔傾角70°和供氣壓力0.5 MPa，研究方案如表1所示。根據(jù)表1中的3種方案，針對共7個(gè)狀態(tài)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬仿真。

表1 研究方案

2 流場數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 基準(zhǔn)構(gòu)型內(nèi)流場特性

首先對基準(zhǔn)構(gòu)型進(jìn)行內(nèi)流場分析，以明確流場運(yùn)動規(guī)律?；贔LUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 基準(zhǔn)構(gòu)型流場速度和壓力特性Figure 3 Flow field velocity and pressure characteristics of reference configuration

圖3(a)～(b)分別為R1橫截面處的壓力云圖和速度云圖，由圖中可以明顯看出：導(dǎo)引部件的存在對加捻腔內(nèi)的壓力分布和速度分布產(chǎn)生較大影響。受導(dǎo)引部件的影響，加捻腔內(nèi)形成的低壓區(qū)并不規(guī)則，空心錠子入口面中心處附近的壓力分布不均勻，噴孔出口處氣流量大，氣流速度快，壓力值較低。從導(dǎo)引通道流入的氣流與部分噴孔流入的氣流在加捻腔內(nèi)一側(cè)交匯，交匯氣流對由噴孔形成的旋轉(zhuǎn)氣流有一定程度的擾亂，同時(shí)也造成了加捻腔內(nèi)的壓力分布不規(guī)則。圖3(c)為R1截面上的速度矢量圖。該矢量圖顯示：噴孔出口處氣流速度最大，從噴孔噴入的高速氣流與從導(dǎo)引通道流入氣體和部分引紗通道回流氣體在加捻腔內(nèi)匯集混合，使得該處的湍流擾動較大，氣流流動方向混亂。此外，由于加捻腔內(nèi)低壓區(qū)的存在，會導(dǎo)致引紗通道部分氣體回流，并在加捻腔內(nèi)與從噴孔流出的高速氣體混合產(chǎn)生渦流，渦流的大小和位置取決于匯聚時(shí)不同氣流的速度大小和方向。

圖4(a)～(b)分別為渦流管內(nèi)S1，S2，S3和S4截面處的速度云圖與速度矢量圖。由圖4可知，混合在加捻腔內(nèi)的氣流可分為內(nèi)部和外部2個(gè)部分。外部氣流主要受噴孔流入的高速氣流影響，在加捻腔回轉(zhuǎn)內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的作用下形成高速旋轉(zhuǎn)氣流，并沿著紗體輸出方向(X軸正向)流動并逐漸擴(kuò)散，最后從渦流管出口處流出；內(nèi)部旋轉(zhuǎn)氣流則是從導(dǎo)引部件內(nèi)流道吸入的回流，經(jīng)螺旋型纖維導(dǎo)引通道結(jié)構(gòu)作用，并在外部氣流的高速旋轉(zhuǎn)帶動下產(chǎn)生的，主要用于為纖維自由端的旋轉(zhuǎn)加捻過程提供作用力。此外圖4(a)的S4截面云圖還表明：由于橫截面積減小，外部旋轉(zhuǎn)氣流的速度值在一些位置還會增大。此外，由圖4(a)截面的速度云圖和圖4(b)的S1，S2截面處的速度矢量圖還可看出加捻腔內(nèi)氣流交匯處的速度分布差異及混合渦流的形成，其分布受導(dǎo)引部件位置影響。

圖4 基準(zhǔn)構(gòu)型各截面速度分布Figure 4 Velocity distribution of each section of reference configuration

2.2 噴孔數(shù)量對噴嘴內(nèi)流場的影響

由氣流靜壓、動壓與速度之間的關(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，因此從本節(jié)開始，后續(xù)僅對氣流速度進(jìn)行分析。

圖5為在基準(zhǔn)構(gòu)型基礎(chǔ)上，不同噴孔數(shù)量n下流場仿真得到的速度矢量圖。由圖5可知：①由于噴孔管道內(nèi)部和加捻腔之間存在壓力差，高壓氣體在流經(jīng)噴孔時(shí)不斷加速，并在噴孔出口處達(dá)到速度峰值，約為500 m/s左右；②隨著噴孔數(shù)量的提升，速度峰值略有提升但提升幅度很小，原因是噴孔的結(jié)構(gòu)尺寸和供壓條件相同，導(dǎo)致氣流在噴孔通道內(nèi)的加速性能基本相當(dāng)；③隨著噴孔數(shù)量的增加，從噴孔和導(dǎo)引部件內(nèi)流道流入的氣流混合產(chǎn)生的渦流會逐漸減小，且加捻腔內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)性能顯著增強(qiáng)。因此在噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)，可在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下適度增加噴孔的數(shù)量，以有效提升對纖維自由端的加捻效果。

圖5 不同噴孔數(shù)量時(shí)的速度矢量圖Figure 5 Velocity vector diagram with different numbers of jet orifice

2.3 噴孔傾角對噴嘴內(nèi)流場的影響

圖6為噴孔數(shù)量5個(gè)，供氣壓力0.5 MPa條件下，不同噴孔傾角時(shí)的速度矢量仿真結(jié)果。分析圖6可知：① 3種傾角狀態(tài)下的速度峰值非常接近，均在520 m/s左右。②隨著傾角從65°增加到70°，軸向氣流速度峰值從415 m/s增加到484 m/s左右，軸向速度顯著增大，而當(dāng)傾角從70°到75°時(shí)軸向速度略有減小。③切向速度隨傾角的增加而顯著增大，且在噴嘴傾角65°到70°之間增長較為迅速，在70°到75°之間增速減小。軸向和切向速度分布特點(diǎn)都說明在噴嘴角度超過70°后，角度對速度的影響逐漸減弱。④處于導(dǎo)引部件螺旋面兩側(cè)的速度分布有明顯不同(仿真結(jié)果的速度正負(fù)差異是由噴孔位置方向所引起)，出現(xiàn)這種速度差異分布現(xiàn)象的原因主要與導(dǎo)引部件的存在有關(guān)，從導(dǎo)引部件內(nèi)流道進(jìn)入的氣流與噴孔流入的氣流交匯后對螺旋面一側(cè)的速度分布產(chǎn)生了較大影響。

圖6 不同噴孔傾角時(shí)的速度矢量圖Figure 6 Velocity vector diagram at different angle of orifices

由此可見，當(dāng)噴嘴傾角增大時(shí)，從噴孔進(jìn)入到渦流管內(nèi)的氣流切向速度分量會隨之增大，這有利于提高加捻腔內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)特性，使紗線包纏得更緊密，紗線強(qiáng)度更高。噴嘴傾角的持續(xù)增大會使氣流的軸向分量先增大后減小(X軸正方向速度分量)，而軸向氣流速度的減小會讓紗線包纏更加緊密，使紗線較硬，斷裂伸長率降低，紗線易斷裂。所以噴嘴傾角的選擇應(yīng)綜合考慮噴孔數(shù)量、供氣壓力等參數(shù)的影響，并結(jié)合仿真或?qū)嶒?yàn)結(jié)果以確定最佳數(shù)值。

2.4 供氣壓力對噴嘴內(nèi)流場的影響

圖7為在相同噴孔數(shù)量和噴孔傾角時(shí)，不同供氣壓力下仿真得到的速度矢量圖。分析圖7可知：①隨著供氣壓力的增加，經(jīng)過噴孔管道加速的氣流速度也隨之增大。這是因?yàn)楣鈮毫υ酱?，噴孔?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)動也越強(qiáng)，對紗線的加捻效果提高，因此供氣壓力對噴嘴內(nèi)部的流場特性影響顯著，應(yīng)該在考慮耗氣量的前提下盡可能提高供氣壓力。

圖7 不同供氣壓力時(shí)的速度矢量圖Figure 7 Velocity vector diagram at different air supply pressures

3 結(jié)論

基于CFD數(shù)值研究方法，考慮導(dǎo)引部件的作用，課題組分析了噴氣渦流紡內(nèi)流場的特性，并在此基礎(chǔ)上，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噴氣渦流紡內(nèi)流場的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 由仿真結(jié)果分析可知，導(dǎo)引部件對加捻腔內(nèi)流場的速度、壓力分布、湍流擾動、渦流的大小及位置、氣流旋轉(zhuǎn)特性和氣流軸向及切向速度分量大小都有影響，因此流場特性分析時(shí)不應(yīng)忽視導(dǎo)引部件的存在。

2) 由噴孔進(jìn)入的高壓氣流在加捻腔內(nèi)形成低壓區(qū)，但受導(dǎo)引部件的影響，加捻腔內(nèi)形成的低壓區(qū)并不規(guī)則，空心錠子入口面中心附近的壓力分布不均勻；且由于該低壓區(qū)的產(chǎn)生，噴管通道和加捻腔之間出現(xiàn)較大的壓力差，使得氣流在噴孔通道內(nèi)的流動速度持續(xù)增大，并在噴孔出口處達(dá)到最大值。

3) 加捻腔與外界的壓力差會導(dǎo)致引紗通道部分氣體回流，并在加捻腔內(nèi)與從噴孔流出的高速氣體混合產(chǎn)生渦流，渦流的大小和位置取決于匯聚時(shí)不同氣流的速度大小和方向。而從噴孔流入的高速氣流與來自導(dǎo)引部件內(nèi)流道的氣流混合后也可能形成渦流，該處渦流的分布與導(dǎo)引部件的位置有關(guān)。

4) 混合在加捻腔內(nèi)的氣流可分為內(nèi)部和外部2個(gè)部分，外部氣流在加捻腔回轉(zhuǎn)內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的作用下形成高速旋轉(zhuǎn)氣流，并沿著紗體輸出方向(X軸正向)流動并逐漸擴(kuò)散，最后從渦流管出口處流出；內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)氣流則是從導(dǎo)引部件內(nèi)流道吸入的回流，經(jīng)螺旋型纖維導(dǎo)引通道結(jié)構(gòu)作用，并在在外部氣流的高速旋轉(zhuǎn)帶動下產(chǎn)生的，主要用于為纖維自由端的旋轉(zhuǎn)加捻過程提供作用力。

5) 隨著噴孔數(shù)量的提升，內(nèi)流道速度峰值略有提升但提升幅度很小，從噴孔和導(dǎo)引部件內(nèi)流道流入的氣流混合產(chǎn)生的渦流會逐漸減小，加捻腔內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)性能則顯著增強(qiáng)。

6) 軸向氣流速度分量和切向氣流速度分量峰值的變化均較為平穩(wěn)，但處于導(dǎo)引部件螺旋面兩側(cè)的速度分布卻有明顯不同，除卻由噴氣孔位置方向?qū)е碌挠绊懲?，出現(xiàn)這種速度差異分布現(xiàn)象的原因可能與導(dǎo)引部件的存在有關(guān)系，從導(dǎo)引部件內(nèi)流道進(jìn)入的氣流可能對螺旋面一側(cè)的速度分布產(chǎn)生了較大的影響。此外，當(dāng)噴嘴角度超過70°后，角度對速度的影響逐漸減弱。

7) 隨著供氣壓力的增加，經(jīng)過噴孔管道加速的氣流速度也隨之增大，氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動特性隨之增強(qiáng)，紗線加捻效果會有所提高。