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        基于Fluent的噴氣織機輔助噴嘴綜合性能

        2018-08-23 09:49:38胥光申孔雙祥羅時杰
        紡織學報 2018年8期
        關鍵詞:耗氣量噴孔圓孔

        胥光申, 孔雙祥, 劉 洋, 羅時杰

        (西安工程大學 機電工程學院, 陜西 西安 710048)

        輔助噴嘴作為噴氣織機的關鍵部件,負責將緯紗接力并送過梭口,其耗氣量占整機的75%左右,輔助噴嘴性能直接影響了噴氣織機的引緯質(zhì)量和能耗[1-2]。輔助噴嘴性能主要取決于結構及其參數(shù),因此,其結構優(yōu)化研究對于提高噴氣織機整機性能及降低能耗具有重要意義。

        為提升輔助噴嘴的性能,國內(nèi)外學者在輔助噴嘴的噴射流場數(shù)值分析、結構優(yōu)化及性能測試等方面開展了深入研究。Meulemeester等[3]利用數(shù)值仿真技術對輔助噴嘴流場進行模擬,利用高速攝影機對模擬結果進行了驗證;譚保輝等[4]利用Fluent軟件對輔助噴嘴流場進行數(shù)值模擬,分析了供氣壓力和出口風速間的關系;文獻[5-6]對單孔輔助噴嘴的結構優(yōu)化進行了研究;Belforte 等[7]對不同內(nèi)部結構的輔助噴嘴進行測試發(fā)現(xiàn),單圓孔輔助噴嘴具有較好的集束性;G?ktepe 等[8]提出在滿足引緯的條件下,通過減小輔助噴嘴出口孔徑和噴射時間,可有效地減少耗氣量。但關于輔助噴嘴結構參數(shù)、噴孔數(shù)目及噴孔分布方式對輔助噴嘴性能影響的系統(tǒng)研究較少。

        為提高噴氣織機輔助噴嘴噴射性能并降低耗氣量,本文利用Fluent軟件對不同孔數(shù)、相同孔數(shù)不同孔徑以及相同孔數(shù)不同分布方式的輔助噴嘴的噴射特性和耗氣量進行了系統(tǒng)研究;通過對不同結構輔助噴嘴綜合性能對比,得出綜合性能優(yōu)良的輔助噴嘴結構。

        1 輔助噴嘴結構

        按照噴孔數(shù)量,輔助噴嘴可分為單孔輔助噴嘴和多孔輔助噴嘴,多孔輔助噴嘴的主要類型有:雙圓孔、三圓孔、四圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔等。圖1示出單圓孔輔助噴嘴的結構模型圖,其入口直徑為3.2 mm,噴射角為4°,過渡區(qū)長度為 10 mm,壁厚為0.4 mm。

        圖1 輔助噴嘴3-D模型圖Fig.1 3-D View of auxiliary nozzle

        本文以該單圓孔輔助噴嘴為基礎,保持輔助噴嘴噴孔(直徑為1.5 mm)面積不變,確定各輔助噴嘴噴孔結構參數(shù),研究在噴孔面積相等的條件下,不同孔數(shù)、孔徑及噴孔排布方式等結構參數(shù)對輔助噴嘴噴射性能及耗氣量的影響規(guī)律。

        圖2示出三圓孔型輔助噴嘴噴孔的排布方式示意圖。3個噴孔直徑相等,均為0.866 mm。3孔以上的輔助噴嘴可分二類分布方式(以四圓孔為例):一類為等大噴孔環(huán)形分布(見圖3(a));另一類為中心環(huán)形分布(見圖3(b)),此種方式又因孔的大小不同而有所不同,具體分類命名及參數(shù)見表1。

        圖2 噴孔排布方式Fig.2 Distribution of injector orifice.(a) Style of 3KX; (b)Style of 3KS

        圖3 二類分布方式Fig.3 Two kinds of distribution.(a)Annular distribution;(b) Cental circular distribution

        四圓孔類型名稱代號直徑說明等大環(huán)形孔4×Φ0.75mm4個孔直徑相等,環(huán)形分布等大中心孔3×Φ0.75 mm+Φ0.75 mm4個孔直徑相等,中心環(huán)形分布4K033×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm周邊3個孔直徑為0.3 mm,中心孔直徑為1.407 mm4K043×Φ0.4 mm+Φ1.330 mm周邊3個孔直徑為0.4 mm,中心孔直徑為1.330 mm4K053×Φ0.5 mm+Φ1.225 mm周邊3個孔直徑為0.5 mm,中心孔直徑為1.225 mm4K063×Φ0.6 mm+Φ1.082 mm周邊3個孔直徑為0.6 mm,中心孔直徑為1.082 mm4K073×Φ0.7 mm+Φ0.883 mm周邊3個孔直徑為0.7 mm,中心孔0.883 mm

        由表1可知,噴孔直徑是按照直徑為1.5 mm的單孔圓形輔助噴嘴噴孔面積確定的。表中3×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm代表中心環(huán)形分布的四圓孔輔助噴嘴,其周邊3個噴孔直徑為0.3 mm,中心噴孔直徑為1.407 mm。本文涉及到的其他多孔輔助噴嘴的分布方式命名規(guī)則與四圓孔輔助噴嘴類似。

        2 輔助噴嘴數(shù)值模擬的前處理

        以單圓孔輔助噴嘴為例說明三維流場模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件定義及邊界條件設定等前處理工藝,其他類型輔助噴嘴前處理方式與之一致。

        2.1 三維流場模型建立

        由于輔助噴嘴三維流場模型較為復雜,利用Fluent前處理軟件Gambit難以精確建立其幾何流場模型,本文利用 Solidworks 軟件建立了輔助噴嘴的三維流場模型,如圖4所示。因輔助噴嘴三維流場模型較為對稱,本文只建立一半的流場,以提高計算效率。鑒于射流擴散較快及氣流作用于緯紗的牽引長度較短,在Solidworks軟件中建立了噴嘴的內(nèi)部流場和長度為70 mm的外部流場,外部流場直徑為17 mm。

        圖4 輔助噴嘴流場模型Fig.4 Flow field of auxiliary nozzle

        2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設定

        采用Hypermesh對輔助噴嘴三維流場模型進行網(wǎng)格劃分,如圖5所示。采用四面體網(wǎng)格,并對輔助噴嘴流場較為復雜的噴孔處的網(wǎng)格進行了加密細化處理,最終生成網(wǎng)格數(shù)約為64萬個。

        圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Grid meshing

        將劃分好的網(wǎng)格導入Gambit中進行邊界定義,輔助噴嘴流場模型涉及到的邊界主要有壓力出口(pressure-outlet)、壓力入口(pressure-inlet)、對稱面(symmetry)、壁面(wall)等。輔助噴嘴入口定義為壓力入口,輔助噴嘴出口處的外部流場定義為壓力出口,輔助噴嘴的對稱面為對稱邊界條件,其余為壁面。邊界定義結果如圖6所示。由于本文在 0.3 MPa下進行數(shù)值模擬,因此,壓力入口氣壓設為 0.3 MPa。在供氣壓力為0.3 MPa下,計算出輔助噴嘴入口處湍動耗散率ε為8 428.8 m2/s3,湍動能k為5.019 2 m2/s2,溫度設置為293 K[9-10]。壓力出口總壓設置為101.325 kPa,其中壁面和對稱面均為默認設置。

        圖6 輔助噴嘴流場模型邊界定義Fig.6 Boundary definition of flow field of auxiliary nozzle

        2.3 求解器與計算模型

        考慮到噴氣織機輔助噴嘴氣流引緯速度高,為使求解能較好地收斂,同時因文中流場氣流材料為理想氣體,因此,本文采用密度基隱式求解器進行計算,采用RNG k-ε雙方程模型。

        3 噴氣織機輔助噴嘴性能評價指標

        輔助噴嘴的性能評價通常是通過對其最大出口風速、實際氣流中心線上的速度衰減以及耗氣量分析實現(xiàn)的[11]。實際生產(chǎn)中對輔助噴嘴既要求有良好的噴射性能,又要求有較低的耗氣量,具有良好的綜合性能。

        現(xiàn)行的輔助噴嘴的評價方法,僅對輔助噴嘴的部分性能進行評估,無法對輔助噴嘴的綜合性能做出全面的量化評價,不利于根據(jù)綜合性能對輔助噴嘴進行優(yōu)化。為此,本文提出利用輔助噴嘴氣流中心線上速度積分與耗氣量的比值,對輔助噴嘴綜合性能進行量化評價的新方法。

        輔助噴嘴氣流中心線上速度積分可衡量輔助噴嘴的噴射性能:速度積分越大,表明輔助噴嘴氣流的整體速度越高;衰減越緩慢,表明輔助噴嘴有較好的噴射性能。輔助噴嘴氣流中心線上速度積分S可由下式計算得到:

        式中:xi為距噴嘴出口的距離,m;f(xi)為距噴嘴出口xi處的氣流速度,m/s;ξi為氣流中心線上相鄰2點的間距,m。即

        ξi=xi+1-xi

        氣流中心線上速度積分與耗氣量的比值可反映輔助噴嘴的綜合性能,比值大,表明輔助噴嘴噴射速度高,耗氣量低,綜合性能越好。

        輔助噴嘴綜合性能指標的量化值可記為K(m-1),由下式可得:

        式中,Q為輔助噴嘴的耗氣量,m3/h。

        4 數(shù)值模擬結果分析

        4.1 四圓孔輔助噴嘴流場分析

        4.1.1對稱面上速度云圖

        圖7示出供氣壓力為0.3 MPa時,四圓孔輔助噴嘴在對稱面上的速度分布云圖。可以看到自由射流的多個流動區(qū)域。壓縮氣流首先從圓形管道進入扁圓形管道,最后從噴孔中噴射而出,整個過程中輔助噴嘴管道截面積逐漸減小,流速不斷增大,在輔助噴嘴出口處風速達到最大,除等大環(huán)形孔輔助噴嘴出口速度334 m/s相對較低,其他型號輔助噴嘴出口速度均接近400 m/s,為超音速氣流。

        圖7 不同型號四圓孔輔助噴嘴對稱面上速度分布云圖Fig.7 Velocity contours in symmetry of four orifice auxiliary nozzle of different distribution.(a)Equal size of center of circular;(b)Equal size of annular distribution;(c)Style of 4K03;(d)Style of 4K04;(e)Style of 4K05;(f)Style of 4K06;(g)Style of 4K07

        4.1.2耗氣量對比

        圖8示出不同孔型輔助噴嘴耗氣量。反映了在供氣壓力為0.3 MPa、噴射面積相同時,四圓孔輔助噴嘴的噴孔分布方式和噴孔直徑對耗氣量的影響情況。分析結果顯示: 4K03型輔助噴嘴耗氣量最大,其值為1.525 m3/h;4K06型輔助噴嘴耗氣量最小,其值為1.462 m3/h;4孔輔助噴嘴平均耗氣量為 1.485 m3/h。

        4.1.3氣流中心線上速度分布

        圖9示出供氣壓力為0.3 MPa時,不同分布方式的四圓孔輔助噴嘴氣流中心線上速度衰減曲線??芍?)在輔助噴嘴氣流中心線上,風速在噴嘴出口處達到最大后逐漸減?。?)等大中心孔輔助噴嘴氣流中心線上的速度分布均在等大環(huán)形孔上方,表明在相同位置處,等大中心孔輔助噴嘴氣流速度大于等大環(huán)形孔輔助噴嘴氣流速度。其原因為:等大中心孔輔助噴嘴的周圍,3個噴孔圍繞中間大噴孔的噴孔排列方式中,中間大噴孔噴射的主導氣流,凝聚了周邊小孔噴射的束氣流,抑制了氣流擴散,延緩了氣流速度的衰減,提高了氣流的集束性;3)4K04、4K05、4K06型輔助噴嘴的速度分布曲線極為相似,說明此3種孔型輔助噴嘴的噴射性能較為接近。

        圖8 不同孔型輔助噴嘴耗氣量Fig.8 Air consumption of auxiliary nozzle with diferent injector orifice style

        圖9 氣流中心線上速度衰減曲線Fig.9 Decay curve of velocity of airflow centerline

        從氣流中心線上速度衰減曲線可以看出,在距離輔助噴嘴出口0~40 mm內(nèi),4K03型輔助噴嘴的速度分布曲線位于其他曲線之上,說明在該距離內(nèi)4K03型輔助噴嘴噴射性能最優(yōu)。

        4.1.4四圓孔輔助噴嘴綜合性能定量分析

        根據(jù)分析數(shù)據(jù),計算四圓孔輔助噴嘴速度積分S、耗氣量Q以及輔助噴嘴綜合性能指標K,結果如表2所示。

        表2 不同類型四圓孔輔助噴嘴性能評價表Tab.2 Parameters evaluation of four orifice auxiliary nozzle with different styles

        表2數(shù)據(jù)顯示:4K03型輔助噴嘴的S值和K值均為最大,說明其噴射性能和綜合性能在4孔輔助噴嘴中較優(yōu);4K06型輔助噴嘴耗氣量最低,K值較大,表明4K06型輔助噴嘴也具有較好的綜合性能。

        利用以上方法,對噴孔分別為雙圓孔、三圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔的輔助噴嘴進行了研究發(fā)現(xiàn):1)相同孔數(shù)的中心環(huán)形分布的輔助噴嘴,其出口風速隨中心孔直徑減小而減小;2)中心環(huán)形分布方式的輔助噴嘴噴射性能優(yōu)于環(huán)形分布的輔助噴嘴;3)相同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴中,雙孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴綜合性能最優(yōu)。

        4.2 不同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴性能對比

        對單圓孔、錐形孔、雙孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴噴射性能進行研究,并與基本型單圓孔輔助噴嘴進行比較,分析比單圓孔輔助噴嘴耗氣量更低、噴射速度更高的輔助噴嘴。

        4.2.1不同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴耗氣量對比

        表3示出供氣壓力為0.3 MPa時,不同輔助噴嘴耗氣量的對比。數(shù)據(jù)顯示:錐形孔輔助噴嘴耗氣量最大,8K04型輔助噴嘴的耗氣量最??;相同的噴孔面積條件下,耗氣量隨著噴孔數(shù)目增多呈現(xiàn)遞減趨勢。

        表3 不同噴孔數(shù)目輔助噴嘴性能評價表Tab3 Parameters evaluation of different number of orifice auxiliary nozzle

        4.2.2綜合性能對比

        根據(jù)分析數(shù)據(jù),計算不同噴孔數(shù)目的輔助噴嘴的速度積分S、Q以及輔助噴嘴綜合性能指標K,結果如表3所示。

        由表中數(shù)據(jù)可知: 1)7K04型輔助噴嘴的速度積分S值較高,其耗氣量Q也較小,綜合性能指標K值最大,表明該類型輔助噴嘴綜合性能最優(yōu),是一種理想的輔助噴嘴;2)錐形孔輔助噴嘴的速度積分S值最大,說明其噴射性能最優(yōu),但由于其耗氣量Q最大,使得其K值較小,由于其噴射性能較好,僅適用于重磅織物的引緯;3)單圓孔輔助噴嘴與5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔輔助噴嘴相比,前者的綜合性能指標K值較小,表明5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔型的輔助噴嘴綜合性能優(yōu)于單圓孔輔助噴嘴。

        5 結 論

        1)中心環(huán)形分布方式的輔助噴嘴噴射性能優(yōu)于環(huán)形分布的輔助噴嘴。

        2)相同孔數(shù)但直徑大小不同的中心環(huán)形分布的輔助噴嘴,其出口風速隨中心孔直徑減小而減小。

        3)相同的噴孔面積條件下,耗氣量隨著噴孔數(shù)目增多而減小,8K04型輔助噴嘴耗氣量最低。

        4)7K04型輔助噴嘴綜合性能最優(yōu),噴射速度高,耗氣量低,適合于大多數(shù)織物高速引緯;錐形孔輔助噴嘴噴射性能最優(yōu),但耗氣量高,適合于重磅織物引緯。

        5)5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴綜合性能優(yōu)于單圓孔輔助噴嘴。

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