周浩邦， 沈 敏， 余聯(lián)慶， 肖世超

(武漢紡織大學(xué) 數(shù)字化紡織裝備湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430200)

噴氣織機(jī)具有速度快、效率高、產(chǎn)品適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，已被公認(rèn)為最具發(fā)展前景的無梭織機(jī)之一。噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)主要采用主噴嘴和輔助噴嘴加異形筘引緯方式，高速射流在異形筘槽內(nèi)匯合，形成合成流場，牽引紗線飛過梭口, 主噴嘴和輔助噴嘴氣流特性直接影響到引緯效率、織物質(zhì)量和織機(jī)能耗[1-2]。由于主噴嘴、輔助噴嘴的高速射流均是湍流場，對于異形筘內(nèi)氣流場的研究一直是影響噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題，目前對噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的研究主要采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。已有一些學(xué)者利用畢托管[3-4]、激光多普勒測速儀[5]或者粒子成像設(shè)備(PIV)[6]測量了輔助噴嘴匯入異形筘道內(nèi)流場中心軸線速度，分析了輔助噴嘴入口壓力、輔助噴嘴間距等參數(shù)對異形筘道內(nèi)氣流速度的影響，但實(shí)驗(yàn)測量對于小孔徑高速氣流具有相當(dāng)難度，而且對于設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求較高。

近年來使用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值仿真已成為趨勢。Song等[7]通過數(shù)值仿真了1個(gè)主噴嘴和1個(gè)輔助噴嘴合成流場特性，改變輔助噴嘴噴射角度，得到不同引緯系統(tǒng)下輔助噴嘴的最佳噴射角度。Jim等[8]建立了一個(gè)簡化的輔助噴嘴流場的數(shù)值模型，討論了入口壓力、噴嘴直徑和噴射角度對中心軸線速度的影響。Jin等[9]數(shù)值模擬了1個(gè)主噴嘴和1個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道的流場，通過有限體積數(shù)值方法得到了異形筘道的速度分布。Jiang等[10]研究了1個(gè)主噴嘴和1個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道中合成流場的穩(wěn)定性，討論了主噴嘴與第1個(gè)輔助噴嘴位置、輔助噴嘴噴射角對合成流場的影響。王衛(wèi)華等[11]數(shù)值模擬了輔助噴嘴與異形筘組合流場，得到了輔助噴嘴出口射流中心線上的速度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果。陸慶等[12]數(shù)值模擬了主噴嘴與輔助噴嘴匯入異形筘道內(nèi)合成流場的特性，并使用畢托管測量了主噴嘴和輔助噴嘴合成流場軸向氣流速度，表明主噴嘴壓力在0.3～0.4 MPa范圍內(nèi)，氣流整體衰減趨勢是相同的。楊國仲等[13]研究了異形筘唇寬、主噴嘴導(dǎo)紗管位置等參數(shù)對引緯氣流場的影響，結(jié)果表明主噴嘴導(dǎo)紗管在筘道中心和機(jī)后偏移2 mm處為最佳安裝位置。

現(xiàn)有的研究主要局限在單個(gè)主噴嘴或者單個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道內(nèi)中心軸線速度，對于主噴嘴加多個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘道合成流場分布的研究還很缺乏。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，一般使用2～3個(gè)輔助噴嘴為1組，用同一個(gè)電磁閥控制1組輔助噴嘴，因此，非常有必要研究1組輔助噴嘴匯入異形筘內(nèi)的氣流速度，本文研究了1組輔助噴嘴匯入異形筘道中合成流場特性。通過以3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的1組圓孔、三角形孔和星形孔輔助噴嘴為對象，考慮輔助噴嘴與異形筘的相互作用，建立1個(gè)主噴嘴和3個(gè)輔助噴嘴合成流場數(shù)值模型，求解3種不同輔助噴嘴合成流場速度分布，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的正確性，分析輔助噴嘴不同結(jié)構(gòu)、間隔距離和供氣壓力對合成流場速度的影響。以期為優(yōu)化輔助噴嘴結(jié)構(gòu)、提高噴氣織機(jī)引緯效率并降低能耗提供理論參考。

1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)及流場模型

1.1 輔助噴嘴幾何模型

輔助噴嘴結(jié)構(gòu)由底座、套筒及噴管等組成，其中噴管是由不銹鋼薄壁扁管制成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—底座； 2—套筒； 3—噴管。圖1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Auxiliary nozzle structure

噴管頭端扁平，開有噴氣孔,噴孔平面有傾角，噴射方向指向筘道，噴射角α一般為8°～9°。管套又與底座用螺絲釘按一定角度β定位，稱為噴向角，一般為4°～6°。噴射角α和噴向角β決定了氣流能否準(zhǔn)確射向異形筘道。

目前廣泛使用的輔助噴嘴主要為圓孔、三角形孔和星形孔等。根據(jù)輔助噴嘴實(shí)物，進(jìn)行1∶1三維建模，單圓孔輔助噴嘴如圖2所示。輔助噴嘴圓管區(qū)長度為12 mm，過渡區(qū)長度為10 mm，扁管區(qū)長度為18 mm。單圓孔直徑為1.5 mm，入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。正三角形孔如圖3所示，邊長都為2 mm，入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。

圖2 單圓孔輔助噴嘴圖Fig.2 Signal circular hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

圖3 正三角形孔輔助噴嘴圖Fig.3 Triangle hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

圖4示出星形孔輔助噴嘴的結(jié)構(gòu)，共由5排小圓孔組成，圓孔的直徑為0.3 mm，由中心沿直線向外陣列，單排圓孔數(shù)為5個(gè)，共5排，每排相隔的角度為60°。

圖4 星形孔輔助噴嘴圖Fig.4 Star hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

1.2 合成流場幾何模型

利用三維建模軟件Solidworks建立1個(gè)主噴嘴、3個(gè)輔助噴嘴和異形筘道組成的合成流場的三維幾何模型，3個(gè)輔助噴嘴具有相同的規(guī)格，輔助噴嘴間隔為60 mm，幾何模型如圖5所示。

圖5 3個(gè)輔助噴嘴匯入異形筘合成流場幾何模型Fig.5 Geometric model of flow field of three auxiliary nozzles converging into reed. (a)Geometry model of profiled reed; (b)Geometric model of synthetic flow field

1.3 合成流場網(wǎng)格模型和邊界條件設(shè)置

將從Solidworks中導(dǎo)出的x_t類型文件導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行流體抽取，模型處理和網(wǎng)格劃分在ICEM中完成，考慮輔助噴嘴與異形筘道合成流場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、計(jì)算資源和數(shù)值耗散性要求，輔助噴嘴部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，異形筘流體采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，最終網(wǎng)格數(shù)量為2.6×107個(gè)。設(shè)置的邊界條件為：主噴嘴速度入口，輔助噴嘴壓力入口，壓力出口為0.1 MPa，其他面為默認(rèn)壁面，壁面設(shè)置為絕熱無滑移壁面條件，網(wǎng)格模型與邊界條件如圖6所示。

圖6 主輔噴嘴匯入異形筘合成流場網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh generation of synthetic flow field of main and auxiliary nozzles into reed

2 Fluent數(shù)值求解分析

利用Fluent進(jìn)行數(shù)值求解，壓縮空氣經(jīng)主噴嘴、輔助噴嘴噴出加速后由噴孔噴出，從較小的速度逐漸加速直到峰值，進(jìn)入異形筘后逐漸衰減。主噴嘴和輔助噴嘴的射流輔助引緯運(yùn)動(dòng)，均可視為可壓縮射流的高速聚束流動(dòng)。噴管內(nèi)流場為可壓縮黏性流體，外流場屬于高雷諾數(shù)的湍流，并且流動(dòng)流線彎曲程度大，應(yīng)變率及雷諾數(shù)Re值高，所以選擇k-ε雙方程湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面對近壁區(qū)進(jìn)行處理。采用密度基求解器下的隱式求解器，可以獲得較高精度的解。主噴嘴速度入口參數(shù)設(shè)定為：入口速度130 m/s，湍動(dòng)能耗散率52 625.21 m2/s3，湍動(dòng)能21.05 m2/s2，輔助噴嘴壓力設(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Tab.1 Pressure inlet conditions under different gas supply pressures

3 實(shí)驗(yàn)方案

主噴嘴和輔助噴嘴匯入異形筘中的引緯氣流視為可壓縮空氣,采用畢托管測量出總壓和靜壓，動(dòng)壓等于總壓和靜壓之差，可以計(jì)算出氣流速度。計(jì)算公式為

式中:ρ為氣流密度，g/L;p為畢托管測得的氣流動(dòng)壓,MPa;k為畢托管修正系數(shù),通常為0.99～1.01。

利用電磁閥控制主噴嘴和輔助噴嘴的啟閉時(shí)間，用刻度尺在畢托管探測頭上標(biāo)記位置，然后將探頭伸入異形筘道內(nèi)，逐步測量筘道內(nèi)沿主噴嘴導(dǎo)紗管中心軸線速度，采用智能壓力傳感器測試，經(jīng)過差壓變送器輸入到NI速度采集卡，再通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得該點(diǎn)的氣流速度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 主輔噴嘴射流匯入異形筘道內(nèi)氣流測試裝置Fig.7 Nozzles and profiled reed of flow field test device

實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定主噴嘴與第1個(gè)輔助噴嘴間距為20 mm,其他輔助噴嘴間距在50～80 mm范圍可以調(diào)整，輔助噴嘴的噴向角均可調(diào)整。

4 結(jié)果與討論

4.1 圓形單孔輔助噴嘴數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

以單圓孔輔助噴嘴筘道內(nèi)流場作為研究對象，測量輔助噴嘴供氣壓力為0.2 MPa時(shí)異形筘道內(nèi)合成流場中心軸線速度。在輔助噴嘴供氣壓力為0.2 MPa，輔助噴嘴間距為50 mm時(shí)，對單圓孔輔助噴嘴數(shù)值仿真得到的異形筘道內(nèi)合成流場中心軸線氣流速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 3個(gè)輔助噴嘴合成流場數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.8 Numerical simulation and experimental verification of synthetic flow field of three auxiliary nozzles

從圖8可以看出，數(shù)值模擬得到的合成流場中心軸線氣流速度幅度比實(shí)驗(yàn)數(shù)值略小，由附壁射流原理可知，測量時(shí)所選取筘道徑向截面處的測量點(diǎn)更靠近筘道內(nèi)壁面，靠近壁面處的射流速度更大，導(dǎo)致二者速度出現(xiàn)差異，但模擬值和實(shí)驗(yàn)值速度曲線變化趨勢大致相同，表明該合成流場模型計(jì)算數(shù)據(jù)具有可靠性，可以用來分析合成流場特性。

4.2 孔型對中心軸線氣流速度影響

輔助噴嘴入口壓力為0.4 MPa，單圓孔、正三角形孔、星形孔輔助噴嘴間距均為50 mm時(shí)，合成流場中心軸線氣流速度對比如圖9所示?？煽闯觯谙嗤鈮毫ο?，不同出口形狀的輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度分布衰減趨勢大致相同，但在速度峰值上可看出明顯差異。正三角形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線速度最高，對紗線牽引力最大。星形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度峰值僅次于正三角形輔助噴嘴，速度波動(dòng)變化最小，紗線在其合成流場中飛行最為平穩(wěn)。單圓孔輔助噴嘴合成流場氣流特性相對來說最差，在0.13 m處速度衰退較大，這種速度的衰退會對紗線飛行的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的干擾。

圖9 孔型對中心軸線氣流速度的影響Fig.9 Effect of pass on air velocity along central axis

1個(gè)主噴嘴和3個(gè)輔助噴嘴自由噴射流場匯入異形筘合成速度云圖如圖10所示?？煽闯?，3種孔形輔助噴嘴合成流場中心軸線速度具有相同的特點(diǎn)，主噴嘴射流在進(jìn)入筘道時(shí)，氣流速度較大，對合成流場流速產(chǎn)生主要影響，隨著中心線上距離增加，主噴嘴射流開始擴(kuò)散，中心軸線氣流速度產(chǎn)生波動(dòng)并大幅度下降，與輔助噴嘴射流匯合后，合成流場中心軸線氣流上速度有短暫的提升，由于輔助噴嘴氣流不斷地匯入和擴(kuò)散，中心軸線氣流速度產(chǎn)生波動(dòng)，異形筘道內(nèi)平均速度穩(wěn)定在70～90 m/s，使緯紗在筘道中能穩(wěn)定獲得飛行速度進(jìn)入經(jīng)紗，在主噴嘴與輔助噴嘴射流匯合后，正三角形孔輔助噴嘴組成的合成流場其射流核心速度最大，高于單圓孔和星形孔輔助噴嘴。

圖10 0.4 MPa下3種孔型速度分布云圖Fig.10 Cloud diagram of velocity distribution of three pass types at 0.4 MPa. (a)Single hole; (b)Regular triangle hole; (c)Star hole

4.3 輔助噴嘴間距對中心軸線氣流速度影響

供氣壓力為0.4 MPa下單圓孔、三角形孔、星形孔3種孔型輔助噴嘴在間距為50、60和70 mm時(shí)的中心軸線氣流速度分布曲線如圖11所示?？煽闯?，單圓孔輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度受間距影響較大，正三角形孔輔助噴嘴合成流場軸線氣流速度受間距影響較小，星形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線速度受間距影響最小。當(dāng)間距為50 mm時(shí)，星形孔合成流場中心軸線氣流平均速度為80 m/s，峰值速度最高，波動(dòng)最小，引緯性能最優(yōu)。當(dāng)間距為70 mm時(shí)，單圓孔輔助噴嘴合成射流得不到及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致擴(kuò)散過快，其中心軸線上速度產(chǎn)生巨幅波動(dòng)，對紗線引緯極為不利。因此，噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)需要使用若干組噴嘴，各組噴嘴射流的噴射時(shí)間互相銜接。由于噴嘴核心射流不長，為了實(shí)現(xiàn)接力引緯，噴嘴間距不宜太大。

圖11 輔助噴嘴間距對中心軸線氣流速度的影響Fig.11 Effect of auxiliary nozzle spacing on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c)Star hole type

進(jìn)一步分析不同輔助噴嘴距離對氣流場的影響，計(jì)算得到的速度波動(dòng)率如表2所示。當(dāng)輔助噴嘴間距為60 mm時(shí)，有效區(qū)間內(nèi)的速度波動(dòng)率最小。當(dāng)輔助噴嘴間距大于70 mm時(shí)，有效區(qū)間內(nèi)的速度波動(dòng)率超過25%。

表2 不同輔助噴嘴間距下的速度波動(dòng)Tab.2 Velocity fluctuation under different auxiliary nozzle spacing

4.4 供氣壓力對中心軸線氣流速度影響

在3種不同孔型的輔助噴嘴間距為50 mm,0.2～0.4 MPa壓力下，合成流場中心軸線氣流速度曲線如圖12所示。可以看出，隨著壓力的增大，3種孔型輔助噴嘴的噴射能力增強(qiáng)，匯入的主噴嘴氣流在筘道內(nèi)得到補(bǔ)充，氣流變化趨勢與壓力成正比，中心軸線上平均速度與峰值均有明顯增加。因?yàn)槌隹谔幍臍怏w壓縮，速度升高，壓強(qiáng)降低，產(chǎn)生了膨脹波。后續(xù)的小幅度波動(dòng)，是由膨脹波和壓縮波交替出現(xiàn)產(chǎn)生的。之后當(dāng)氣體的壓力逐漸衰減到0.1 MPa之后，射流就會在大氣中自由擴(kuò)散[14]。

圖12 壓力對中心軸線氣流速度的影響Fig.12 Effect of pressure on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c) Star hole

從圖12(a)可看出,單圓孔輔助噴嘴合成流場的前2個(gè)位置輔助噴嘴射流匯合速度受壓力影響不大，從第3個(gè)輔助噴嘴位置開始，速度波動(dòng)幅度明顯增大，不利于緯紗的平穩(wěn)飛行。從圖12(b)可見，正三角形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度受壓力影響最大，中心軸線氣流速度增幅較大，氣流集束性更好，供氣壓力增至0.4 MPa時(shí)，中心軸線氣流速度增量達(dá)到10 m/s，平均速度高于80 m/s，符合當(dāng)今噴氣織機(jī)對引緯速度的要求。從圖12(c)可看出，供氣壓力對星形孔輔助噴嘴流場從中心軸線氣流速度影響較小。隨著供氣壓力的增大，中心軸線氣流速度波動(dòng)減小，但只有在0.4 MPa時(shí)，平均速度才高于80 m/s，需要增加壓力而提升引緯牽引力來滿足一般織物引緯的要求，導(dǎo)致耗氣量增加，能耗過大。

4.5 孔型尺寸對中心軸線氣流速度影響

供氣壓力為0.4 MPa，輔助噴嘴間距為70 mm的情況下，單圓孔、三角形孔、星形孔3種孔型輔助噴嘴在不同孔徑下的中心軸線氣流速度分布如圖13所示?？煽闯?，在相同供氣壓力和輔助噴嘴間距下，同種形狀不同尺寸的輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度分布衰減趨勢大致相同，但在速度峰值上存在明顯差異。圓形噴嘴直徑為1.0 mm時(shí)，合成流場中心軸線氣流速度峰值較大，集束性較好；正三角形輔助噴嘴邊長為1.0 mm時(shí)，合成流場中心軸線氣流速度峰值較大，邊長為1.5 mm時(shí)集束性最好；星形輔助噴嘴周長為1.5π mm時(shí)，合成流場中心軸線氣流速度峰值最大，集束性最好。因此，在引緯時(shí)，各組噴嘴射流的噴射時(shí)間互相銜接。由于噴嘴核心射流不長，為了實(shí)現(xiàn)接力引緯，噴嘴尺寸不宜太大。

圖13 孔型尺寸對中心軸線氣流速度的影響Fig.13 Effect of pass size on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c) Star hole

5 結(jié) 論

本文數(shù)值仿真了單圓孔、正三角形孔和星形孔3種輔助噴嘴匯入異形筘道合成流場分布，可為提高輔助噴嘴引緯穩(wěn)定性提供參考，主要結(jié)論如下。

1)輔助噴嘴間距對引緯速度的影響非常明顯。尤其對于圓孔輔助噴嘴，當(dāng)間距為70 mm時(shí)，中心軸線氣流速度峰值與估值波動(dòng)最大，合成氣流最不穩(wěn)定，會影響織物質(zhì)量和引緯效率。

2)輔助噴嘴供氣壓力為0.2～0.4 MPa時(shí)，3種孔型輔助噴嘴中心軸線氣流速度都有很好的一致性。隨著供氣壓力的增大，合成流場中心軸線氣流速度明顯增大，供氣壓力為0.3 MPa時(shí)，基本可以滿足高速引緯的需求。

3)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)對引緯特性也有很大影響，在相同供氣壓力下，星形孔輔助噴嘴相比于單圓孔、正三角形孔輔助噴嘴具有更好的集中性，更高的引緯速度，更小的耗氣量，較好的引緯平穩(wěn)性，是一種綜合性能優(yōu)良的輔助噴嘴。

4)輔助噴嘴的尺寸對引緯速度也有很大影響，在相同的供氣壓力和輔助噴嘴間距下，相比于大尺寸的輔助噴口，尺寸更小時(shí)合成流場中心軸線氣流速度峰值更大，集束性更好，具有更好的引緯平穩(wěn)性，當(dāng)圓形噴嘴直徑為1.0 mm，正三角形邊長為1.0 mm，星形噴嘴周長為1.5π mm時(shí)，引緯效果最佳。

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