楊國仲,沈丹峰,常革聯(lián),王春妍

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.經(jīng)緯津田駒紡織機(jī)械(咸陽)有限公司,陜西 咸陽 712000)

0 引 言

在噴氣織機(jī)異形筘引緯方式中,緯紗通過主噴嘴的加速輸送到異形筘槽,再由若干組輔助噴嘴以接力的方式完成引緯[1]。目前,關(guān)于噴氣織機(jī)組合流場性質(zhì)的研究主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬等3種方法。在流體力學(xué)理論分析中,根據(jù)時(shí)間和緯紗位置建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行引緯計(jì)算,分析結(jié)果能夠得出最小供氣壓力以減少耗氣量[2];依據(jù)射流合成原理,并結(jié)合紗線穩(wěn)定性條件,可得到輔助噴嘴最佳安裝距離函數(shù)[3]。在實(shí)驗(yàn)測試中,通過輔助噴嘴結(jié)合異形筘的引緯方式,利用畢托管測試輔噴嘴間距、噴向角以及供氣壓力等因素對異形筘槽內(nèi)氣流速度的影響[4],以及不同輔噴嘴間距對異形筘槽內(nèi)緯紗的飛行狀況的影響[5]。流體動(dòng)力學(xué)軟件出現(xiàn)之后,數(shù)值模擬方法也漸漸被采用：利用Fluent分析輔助噴嘴噴孔的不同斜吹角對引緯氣流速度的影響[6];或采用有限元法探究異形筘不同上下唇角度對引緯氣流速度的影響等[7]。

異形筘作為噴氣織機(jī)中的重要專件,國家已出臺(tái)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。然而,對于異形筘的唇寬最優(yōu)化尺寸研究較少,氣流引緯從管道片發(fā)展到異形筘結(jié)構(gòu)[8],對于異形筘唇高與唇寬設(shè)計(jì)都是從織造工藝考慮,而基于最佳的氣流耗散的異形筘槽的設(shè)計(jì)鮮有報(bào)導(dǎo)。本文以異形筘的不同上下唇寬尺寸以及導(dǎo)紗管的安裝位置為研究對象,通過Fluent對組合流場進(jìn)行數(shù)值模擬,找出較優(yōu)的唇寬,以期為噴氣織機(jī)引緯工藝的改善提供參考。

1 流場數(shù)值模擬及驗(yàn)證

1.1 組合流場模型

利用SolidWorks三維軟件建立主噴嘴和異形筘的組合流場。一塊鋼筘是由數(shù)千片筘片平行等間距排列組成,筘片間隙由筘號(hào)決定[9]。真實(shí)模型幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算量過大。故參照文獻(xiàn)[10]將異形筘做平面化處理,忽略其筘齒間隙,建立如圖1所示的主噴嘴與異形筘的組合流場。

圖 1 主噴嘴和異形筘組合流場

1.2 組合流場數(shù)值模擬

將建立的組合流場導(dǎo)入流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent中,具體設(shè)置如下:

1) 網(wǎng)格劃分: 通過 mesh 處理得到網(wǎng)格模型, 由于模型包括許多曲面, Relevancecenter設(shè)置為fine[11]。

2) 求解器與計(jì)算模型:氣流為高速、可壓、黏性流動(dòng),選用可壓隱式耦合控制算法[12],湍流模型選擇RNG方程[13]。

3) 條件設(shè)置:選取理想氣體作為流體材料,初始條件設(shè)置:壓力入口0.2、0.3、0.4 MPa,壓力出口為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,溫度設(shè)置為297 K[6]。

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)通過北京儀表廠生產(chǎn)的YCL型畢托管測出相應(yīng)壓差,使用HM20通用型壓力變送器傳輸?shù)絅I數(shù)據(jù)采集卡中,讀取數(shù)據(jù)。由伯努利方程[14]可計(jì)算出氣流速度,見式(1)。

(1)

式中:V為氣流速度;p為流體壓差;ρ為流體密度;k為畢托管修正系數(shù)[15]。

1.4 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

對供氣壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa的組合流場進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試,得到射流中心線速度分布曲線,如圖2所示。

根據(jù)圖2可知：在0.2 MPa供氣壓力下,氣流進(jìn)入異形筘初始位置最大速度值為229 m/s,實(shí)驗(yàn)測試值為220 m/s;在0.3 MPa供氣壓力下,緯紗進(jìn)入異形筘初始位置最大速度值為321 m/s,實(shí)驗(yàn)測試值為315 m/s;在0.4 MPa供氣壓力下,氣流進(jìn)入異形筘初始位置最大速度值為389 m/s,實(shí)驗(yàn)測試值為385 m/s。

(a) 0.2 MPa

(b) 0.3 MPa

畢托管在一定程度上影響流場的流動(dòng)特性,特別在靠近出口處,且異形筘筘槽通道較小,因而導(dǎo)致出口速度實(shí)驗(yàn)測試值小于數(shù)值模擬值[16]。在不同供氣壓力下,二者速度曲線雖然存在一定差距,但速度總體衰減趨勢仍能夠較好地吻合。因此,利用Fluent軟件對輔助噴嘴組合流場進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的。

2 異形筘組合流場影響因素實(shí)驗(yàn)

在通過Fluent軟件進(jìn)行主噴嘴與異形筘組合流場模擬的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了異形筘唇寬以及導(dǎo)紗管的安裝位置對組合流場氣流速度的影響。

2.1 異形筘唇寬

異形筘片結(jié)構(gòu)如圖3所示,上唇寬度Lu,下唇寬度Ld。不同唇寬會(huì)對組合流場的氣流速度產(chǎn)生影響。由于噴氣織機(jī)鋼筘打緯過程中,異形筘上唇前端在織機(jī)前止點(diǎn)處不可與布面過分碰撞接觸,否則會(huì)造成布面破洞或斷經(jīng)等疵點(diǎn),所以上唇尺寸一般不可過長[17]。

圖 3 異形筘上下唇

為了獲取不同的唇寬尺寸對氣流場的影響,本文設(shè)計(jì)了7種不同尺寸的上下唇組合,如表1所示。

表 1 異形筘上下唇尺寸設(shè)計(jì)方案

2.2 導(dǎo)紗管的安裝位置

緯紗通過主噴嘴提供氣壓從導(dǎo)紗管傳輸?shù)疆愋误夭蹆?nèi),導(dǎo)紗管的安裝位置對引緯氣流有著重要影響,合適的安裝位置能夠較好地保證噴氣織機(jī)引緯的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)5種不同的導(dǎo)紗管安裝位置,即中心位置、 機(jī)前偏移1 mm、機(jī)前偏移2 mm、機(jī)后偏移1 mm、機(jī)后偏移2 mm,用于探究導(dǎo)紗管的安裝位置對組合流場的影響,如圖4所示。

圖 4 導(dǎo)紗管安裝位置方案

3 結(jié)果與討論

3.1 異形筘上下唇尺寸對流場影響結(jié)果分析

異形筘7種方案的筘槽中心線速度分布模擬結(jié)果如圖5所示。

(a) 0.2 MPa

(b) 0.3 MPa

(c) 0.4 MPa

圖5(a)中:當(dāng)供氣壓力為0.2 MPa時(shí),在氣流進(jìn)入異形筘槽時(shí),上唇13 mm、下唇11 mm異形筘內(nèi)的初始速度最大;在20 mm以內(nèi),7種方案的速度下降趨勢基本一致,速度相差不多;在20～50 mm內(nèi),上唇13 mm、下唇11 mm和上唇9 mm、下唇7 mm的異形筘與另外5種方案相比,氣流速度下降變緩;在50 mm后,上唇9 mm、下唇7 mm的異形筘內(nèi)氣流速度下降趨勢突然增快,上唇13 mm、下唇11 mm異形筘內(nèi)氣流速度最大。

圖5(b)中：當(dāng)供氣壓力為0.3 MPa時(shí),在氣流進(jìn)入異形筘槽時(shí),上唇13 mm、下唇13 mm的異形筘槽內(nèi)速度最大;在5 mm以內(nèi),7種方案的下降趨勢大體一致;在5～20 mm處,7種方案速度下降趨勢變緩;在20 mm之后,上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘速度一直最大,方案6、7次之,方案1、2、3速度最慢。

圖5(c)中:當(dāng)供氣壓力為0.4 MPa時(shí),在0～3 mm處,7種方案速度下降最快;在5 mm之后,速度下降趨勢變緩,其中上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘下降趨勢最緩,速度最大,方案1、2、3次之,方案6、7速度最小。

以上結(jié)果顯示,由于射流的附壁效應(yīng),筘槽開口一側(cè)的高壓會(huì)向內(nèi)壁低壓的一側(cè)偏移,氣流的速度中心線也會(huì)向著內(nèi)壁偏移,最終穩(wěn)定的貼于內(nèi)壁表面,不同唇寬的異形筘對氣流速度會(huì)有影響。在不同供氣壓力下,氣流在進(jìn)入上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘時(shí)速度表現(xiàn)最好。

3.2 導(dǎo)紗管安裝位置對組合流場的影響

導(dǎo)紗管5種不同安裝位置時(shí)，氣流速度分析結(jié)果如圖6所示。

(a) 0.2 MPa

(b) 0.3 MPa

(c) 0.4 MPa

圖 6(a) 中,當(dāng)供氣壓力為 0.2 MPa 時(shí), 中心安裝位置速度表現(xiàn)一直最優(yōu)。在 0～15 mm 處,機(jī)前偏移的2種方案速度優(yōu)于機(jī)后偏移的2種方案。此時(shí),機(jī)前偏移 2 mm 的速度稍高,機(jī)后偏移 1 mm 的速度稍低。在 20 mm 之后,機(jī)后偏移的2種方案速度下降趨勢變緩,速度逐漸高于機(jī)前偏移的2種方案。

圖6(b)中,當(dāng)供氣壓力為0.3 MPa時(shí),在氣流進(jìn)入異形筘槽時(shí),機(jī)后偏移1 mm的速度最高,機(jī)前偏移2 mm的速度最低;在10～55 mm處,機(jī)后偏移2 mm的速度一直保持最大,機(jī)后1 mm和中心安裝次之,機(jī)前2 mm的方案速度最小;在60 mm之后,機(jī)后偏移1 mm的速度下降趨勢變快。

圖6(c)中,當(dāng)供氣壓力為0.4 MPa時(shí),機(jī)后偏移1 mm和中心安裝的初始速度最大;在0～30 mm處,5種方案的速度下降趨勢相同;在30 mm～60 mm,中心安裝的速度最大,機(jī)后偏移1 mm的速度次之;在60 mm之后,中心安裝和機(jī)后偏移1 mm速度下降變快。

以上結(jié)果顯示,在不同的供氣壓力下,導(dǎo)紗管的不同安裝位置對氣流在異形筘中的速度有一定影響。當(dāng)供氣壓力為0.2 MPa和0.4 MPa時(shí),中心安裝的速度表現(xiàn)相對最優(yōu),在供氣壓力為0.3 MPa時(shí),機(jī)后偏移1 mm的速度表現(xiàn)最好。原因是由射流附壁效應(yīng)引起的。主噴嘴噴射出的氣流進(jìn)入異形筘后受到筘槽的約束,氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比主噴嘴自由射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜,在異形筘中氣流擴(kuò)散變緩,速度中心向筘槽內(nèi)壁偏移,最終穩(wěn)定貼于內(nèi)壁表面,于是導(dǎo)致了主噴嘴導(dǎo)紗管不同的安裝位置對氣流速度的影響。

4 結(jié) 論

1) 主噴嘴與異形筘的組合流場實(shí)際測試速度略低于模擬值,但趨勢相同。

2) 在不同的供氣壓力下,上唇13 mm、下唇11 mm的異形筘速度表現(xiàn)最優(yōu)。

3) 在供氣壓力為0.2 MPa時(shí),中心安裝的導(dǎo)紗管的流場速度最優(yōu);在供氣壓力為0.3 MPa時(shí),機(jī)后偏移2 mm安裝導(dǎo)紗管的組合流場氣流速度相對最優(yōu);在供氣壓力為0.4 MPa時(shí),中心安裝導(dǎo)紗管的組合流場速度相對最優(yōu)。