陳巧蘭，王鴻博，高衛(wèi)東，盧雨正

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

噴氣織機(jī)單圓孔輔助噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳巧蘭，王鴻博，高衛(wèi)東，盧雨正

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

為進(jìn)一步降低噴氣織機(jī)能耗，設(shè)計(jì)了3種不同孔徑的輔助噴嘴，運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)分析模塊對輔助噴嘴引緯流場進(jìn)行仿真模擬，得到不同孔徑下輔助噴嘴出口射流中心線的速度分布曲線。采用自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺獲取射流中心線的速度分布，并與模擬的速度結(jié)果進(jìn)行比較。對比結(jié)果證明，采用仿真模擬分析輔噴流場的準(zhǔn)確性，可為優(yōu)化輔助噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低織機(jī)能耗提供理論參考。結(jié)果表明：供氣壓力為0.3 MPa時(shí)，直徑為1.1 mm的輔助噴嘴能耗比直徑為1.5 mm的輔助噴嘴降低了約25%。

輔助噴嘴；噴孔直徑；仿真模擬；能耗

噴氣織機(jī)在織造中具有寬幅、高效、高產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，目前主要采用的引緯結(jié)構(gòu)為主噴嘴+輔助噴嘴+異型筘；而引緯過程中需多組輔助噴嘴補(bǔ)充高速氣流牽引緯紗穿過梭口，因此，輔助噴嘴是保證成品質(zhì)量的關(guān)鍵部件。隨著噴氣織造技術(shù)的發(fā)展，新型噴氣織機(jī)的幅寬也得到了相應(yīng)的提高，幅寬提升至280 mm時(shí)需要40個(gè)左右的輔助噴嘴一起供氣完成引緯[1]。

目前對于輔助噴嘴的仿真研究主要是針對不同供氣壓力下多種孔型輔助噴嘴的比較分析，結(jié)果表明：不同孔型的輔助噴嘴流場軸對稱射流速度衰減趨勢是相似的[2-3]。Belforte[4]研究了輔助噴嘴的內(nèi)部流場，對比了不同結(jié)構(gòu)輔助噴嘴的氣流特性，研究發(fā)現(xiàn)單圓孔具有較好的氣流集束性能。研究氣流場特性對于優(yōu)化輔助噴嘴的結(jié)構(gòu)，降低能耗具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文以不同孔徑的單圓孔輔助噴嘴為研究對象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對引緯流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，探索輔噴孔徑對流速以及能耗的影響，為設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的輔助噴嘴提供了理論參考。

1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)及流場模型建立

1.1 單圓孔輔助噴嘴

圖1示出單圓孔輔助噴嘴圖。輔助噴嘴為數(shù)值模擬原型，由于輔噴結(jié)構(gòu)中存在較多不規(guī)則的過渡面，在Flueng的Geometry模塊繪制比較困難，所以，運(yùn)用Solidwork設(shè)計(jì)出流場的三維幾何后再導(dǎo)入Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2 輔助噴嘴模型

根據(jù)圖1中輔助噴嘴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制噴孔直徑為1.1、1.3、1.5 mm單孔輔助噴嘴的三維模型圖，如圖2所示。

由于模擬的是在無鋼筘情況下輔助噴嘴對氣流的影響，因此，外部流場的尺寸越大越接近真實(shí)值。但鑒于氣流作用于緯紗的牽引長度較短及射流擴(kuò)散較快，本文在Solidworks軟件中建立了噴嘴的內(nèi)部流場和長度為 65 mm的外部遠(yuǎn)場，外部流場的直徑為15 mm。

2 Fluent仿真

Fluent數(shù)值解法是數(shù)值計(jì)算、理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)三者的有機(jī)結(jié)合，其數(shù)值解法之一的有限體積法導(dǎo)出的離散方程，可以求解三維黏性湍流和漩渦流等復(fù)雜的工程問題。Fluent仿真在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域是一種典型的仿真方法，將幾何體導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)前處理，生成網(wǎng)格模型并定義邊界，再導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行定義離散方程系數(shù)并求解計(jì)算。

2.1 模型網(wǎng)格劃分

對于 CFD 計(jì)算分析，有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元是數(shù)值模擬的基本要素和載體，目的是對CFD模型實(shí)現(xiàn)離散化，并用適當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)格單元得到最精確的解。劃分的網(wǎng)格疏密程度直接影響了軟件求解計(jì)算的精度。本文運(yùn)用Fluent軟件中的Meshing模塊對輔助噴嘴流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型曲面較多，因此，在高級網(wǎng)格劃分方式的狀態(tài)選擇On:Proximity and Curvature，網(wǎng)格的增長率設(shè)置為1.1，有利于細(xì)化網(wǎng)格。劃分后對網(wǎng)格進(jìn)行評估統(tǒng)計(jì)，然后設(shè)置有限元的邊界類型，生成計(jì)算模型。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算過程中，噴嘴底部氣道作為進(jìn)口，進(jìn)口處的氣壓均為0.3 MPa，外流場的外壁及出口作為壓力出口，壓力出口定義為1個(gè)大氣壓，噴嘴壁定義為無摩擦和絕熱。由于射流是可壓超音速的噴射流，且流動(dòng)流線彎曲程度大，應(yīng)變率及Re值高，所以黏性模型選擇RNGκ-ε雙方程湍流模型來模擬。紗線的線密度相比于外流場直徑可以不略不計(jì)，故建立流場幾何體時(shí)未加入紗線的模型。壓力入口：供氣總壓為0.3 MPa，溫度設(shè)置為293 K，靜壓Ps為297.51 kPa，湍動(dòng)能κ1為5 m2/s2，湍動(dòng)能耗散率ε為8 500 m2/s3。κ1及ε的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[3]。

2.2.1 流場模擬計(jì)算結(jié)果

0.3 MPa供氣壓力下，輔噴孔徑為1.1 mm，輔助噴嘴流場流線圖和不同位置的速度分布云圖如圖3所示。

圖3中從左到右依次為距噴孔出口-1.5、5、10、20、30、40、50、60 mm截面的速度分布云圖，由圖可知，噴出的射流在空氣中斜向上并向外擴(kuò)散，隨著距離的增加，速度等高輪廓半徑逐漸增大，流線的箭頭更顯示了壓縮氣流在流場內(nèi)擴(kuò)散的方向。

2.2.2 不同噴孔直徑下的氣流速度分布

圖4示出供氣壓力為0.3 MPa，輔助噴孔徑分別為1.1、1.3、1.5 mm時(shí)距噴孔出口5～60 mm外流場流速中心線上的速度分布曲線圖。由圖可知，在距噴孔出口10 mm內(nèi)，輔噴孔徑為1.1 mm時(shí)，氣流速度衰減最快，1.5 mm時(shí)其次，1.3 mm時(shí)最慢。距噴孔出口10 mm之后，3種直徑的氣流速度衰減減緩且平穩(wěn)，距輔助噴嘴出口60 mm處，噴孔直徑為1.1 mm和1.5 mm時(shí)速度衰減到70 m/s左右，噴孔直徑為1.3 mm時(shí)氣流速度衰減到90 m/s左右。

3 輔助噴嘴實(shí)驗(yàn)測試

輔助噴嘴中氣體的流動(dòng)為可壓縮流體的流動(dòng)，所以其流動(dòng)過程中的壓縮和膨脹與氣體的壓強(qiáng)、溫度、密度及流速都有密切的關(guān)系。氣流在輔助噴嘴噴孔處，速度由亞音速轉(zhuǎn)變?yōu)槌羲?，根?jù)拉伐爾(Laval)噴管原理，氣流在大氣中繼續(xù)加速，能夠連續(xù)地由亞音速轉(zhuǎn)變?yōu)槌羲佟?/p>

本文借助于自行設(shè)計(jì)的測試平臺(如圖5所示)，測試了直徑為1.1、1.5 mm的單圓孔輔助噴嘴的出口中心線上的速度。由于噴嘴噴射角、安裝角、噴嘴結(jié)構(gòu)中復(fù)雜過渡面等多種因素的影響，由噴嘴噴出的射流方向會(huì)傾斜一定的角度，這也給測試帶來一定的困難。為了保證測試的準(zhǔn)確性，將室內(nèi)溫度穩(wěn)定在20 ℃，測試前將標(biāo)記好距離的紗線固定在噴嘴背部，當(dāng)氣流噴射穩(wěn)定后，紗線傾斜的方向即氣流噴射的方向。測試時(shí)將畢托管的感測頭呈與紗線傾斜相同的角度放置在流場里，測得紗線標(biāo)記處氣流的總壓和靜壓后，計(jì)算得出氣流中心線速度。

由皮托管測得距噴嘴出口不同距離的氣流的總壓和靜壓，并計(jì)算二者之差，導(dǎo)入氣流速度計(jì)算公式[5]：

式中：κ為皮托管修正系數(shù)；ρ為理想氣流密度,kg/m3；△P為總壓靜壓之差,Pa。

4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

基于圖1中噴嘴實(shí)體建立了輔助噴嘴引緯流場模型并求解計(jì)算，再運(yùn)用圖5所示的測試裝置，測量距噴孔5～60 mm范圍內(nèi)的12個(gè)點(diǎn)的總壓和靜壓值，在每個(gè)標(biāo)記的地方均測4次，然后計(jì)算平均值，求得氣流速度。再將不同輔噴孔徑下氣流速度實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果和模擬求解結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)流場模型的精確性。

4.1 模型檢驗(yàn)

圖6示出供氣壓力為0.3 MPa時(shí)，輔噴孔徑為1.1 mm與孔徑為1.5 mm的引緯流場中心線上速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值曲線的比較。輔噴孔徑為1.1 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與模擬值相當(dāng)接近。距輔噴出口30 mm以內(nèi)，2種輔噴孔徑下的實(shí)際測試中心線速度均比模擬值大，但是實(shí)驗(yàn)值和模擬值衰減趨勢相同。距噴嘴出口30～60 mm之間實(shí)驗(yàn)速度和模擬速度曲線基本相吻合。這表明建立的流場模型可以用來計(jì)算、預(yù)測輔助噴嘴引緯特性，可以為企業(yè)開發(fā)節(jié)能降耗的新型輔助噴嘴提供理論參考。

4.2 噴孔直徑對輔助噴嘴氣耗量的影響

0.3 MPa供氣壓力條件下從建立的輔助噴嘴流場模型中提取噴嘴入口流量值，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯龈鶕?jù)數(shù)值模擬出的壓強(qiáng)和出口速度求得的流量值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性。這表明通過數(shù)值模擬出的參數(shù)值來計(jì)算輔助噴嘴的能耗是可行的。由實(shí)驗(yàn)測試可知，供氣壓力為0.3 MPa，輔噴孔徑為1.1 mm時(shí)相比于孔徑為1.5 mm時(shí)其氣耗下降了約25%。

表1 不同輔助噴嘴孔徑下流量模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Tab.1 Comparison between simulative flow and experimental flow with various pore sizes of auxiliary nozzles

5 結(jié) 論

在輔助噴嘴原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，設(shè)計(jì)了3種不同的輔助噴嘴孔徑，并測量了2種不同噴孔直徑單圓孔輔助噴嘴在氣流中心線上的氣流速度變化，同時(shí)與Fluent數(shù)值模擬的輔助噴嘴內(nèi)外流場進(jìn)行對比分析。

1)模擬值的擬合曲線與實(shí)驗(yàn)值氣流中心速度曲線較好地吻合，驗(yàn)證了Fluent軟件對輔助噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬具有較高可信度。可為計(jì)算、預(yù)測輔助噴嘴引緯特性提供理論參考，對開發(fā)節(jié)能降耗的新型輔助噴嘴具有重要的指導(dǎo)意義。

2)供氣壓相同時(shí)，改變單圓孔輔助噴嘴直徑的大小，噴孔出口5 mm處的速度沒有明顯變化。

3)供氣壓相同時(shí)，在距噴孔20 mm后，單圓孔輔噴孔徑為1.1 mm時(shí)比直徑為1.5 mm時(shí)氣流速度更高，且實(shí)驗(yàn)測試氣耗量降低了約25%。表明適當(dāng)降低噴孔直徑，輔助噴嘴的氣流集束性更好。

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Structure optimization of single circular hole auxiliary nozzle in air-jet loom

CHEN Qiaolan,WANG Hongbo,GAO Weidong,LU Yuzheng

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation，Wuxi，Jiangsu214122,China)

In order to reduce the energy consumption of the air jet loom,three different pore sizes of the auxiliary nozzle were designed.Fluid dynamics analysis module was used to simulate the weft insertion flow filed of auxiliary nozzle.The velocity distribution curve on the central line of different pore sizes of auxiliary nozzle was obtained.A designed experimental platform was used to testify the theory values.It is found that flow field simulation analysis is in accordance with experimental value.The theory can be used to improve the structure and reduce energy consumption of the auxiliary nozzle.The experimental results showed that when the supply gas pressure was 0.3 MPa,the pore size of nozzle was 1.1 mm,and the energy consumption was reduced by about 25 % compared with that of the pore size of 1.5 mm.

auxiliary nozzle；pore size；simulation；energy consumption

10.13475/j.fzxb.20141204105

2014-12-23

2015-08-08

江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(BY2014023-24)

陳巧蘭(1989—)，女，碩士生。研究方向?yàn)閲姎饪棛C(jī)節(jié)能降耗。王鴻博，通信作者，E-mail:wxwanghb@163.com。

TS 105.4

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