肖世超，沈敏，2*，何為，周浩邦

(1.武漢紡織大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，武漢 430200；2.湖北省數(shù)字化紡織裝備重點實驗室，武漢 430200)

噴氣織機具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)種類多等優(yōu)點，已成為應(yīng)用最廣泛的無梭織機[1]。主、輔噴嘴噴射出高速氣流匯合進入異形筘，牽引緯紗飛過梭口。引緯過程中，輔助噴嘴耗氣量占整機的70%～80%，并且主、輔噴嘴組合流場的分布影響織物的最終質(zhì)量[2]。深入研究引緯組合流場特性，對優(yōu)化設(shè)計輔助噴嘴，降低噴氣織機的能耗并提高織物質(zhì)量，具有重要的理論參考和應(yīng)用價值。

目前，對噴氣織機主噴嘴和輔助噴嘴的射流研究集中采用實驗法和數(shù)值模擬。Belforte[3]采用實驗裝置測試了不同結(jié)構(gòu)輔助噴嘴的射流速度和耗氣量。錢怡等[4]數(shù)值模擬了兩個輔助噴嘴射流疊加組合的流場，并搭建實驗平臺測試了軸向氣流速度，驗證了數(shù)值結(jié)果。Cui等[5]數(shù)值分析了主、輔噴嘴射流匯合進入異形筘槽引緯組合氣流沿主噴嘴中心軸線速度，通過實驗驗證了數(shù)值結(jié)果正確性，主噴嘴距第一輔噴45～50 mm是合理的, 輔嘴的噴射角在7°時氣流交匯效果較好。Jin等[6]數(shù)值模擬了輔助噴嘴射流匯入異型筘道內(nèi)的流場，分析了異形筘開口角度對組合流場特性的影響。陸慶等[7]數(shù)值模擬了兩組單圓孔輔助噴嘴匯入異形筘的組合流場，表明主輔噴嘴供氣壓力差值范圍在0.05～0.1 MPa能提升引緯速度且耗散較慢。

孔雙祥等[8]數(shù)值模擬了錐形孔、單圓孔、矩形孔、正三角形孔4種輔助噴嘴的三維流場，表明錐形孔適合重磅織物引緯，單圓孔適合大多數(shù)織物引緯。胥光申等[9]數(shù)值模仿真了多孔輔噴射流流場，表明中心環(huán)形分布方式的輔助噴嘴優(yōu)于環(huán)形分布的輔助噴嘴。李斯湖等[10]數(shù)值分析了輔噴結(jié)構(gòu)參數(shù)和供氣壓力對單個輔噴射流流場分布的影響，表明星形輔噴在氣流集束性、引緯平穩(wěn)性、耗氣量方面均有優(yōu)良表現(xiàn)。陳永當(dāng)?shù)萚11]數(shù)值模擬了單個圓孔輔噴和四類環(huán)形槽出口的三維流場，結(jié)果表明異形孔可以提升輔助噴嘴的引緯穩(wěn)定性并降低能耗。

然而，現(xiàn)有研究大都集中于單個主噴或者輔噴射流，對于主噴射流與多孔陣列式輔助噴嘴射流，匯入異形筘槽內(nèi)，其組合流場的成果較少見到。因此，現(xiàn)設(shè)計兩種多孔陣列式輔助噴嘴，由橢圓孔陣列形成的輔助噴嘴，基于計算流體動力學(xué)對主、輔嘴和異形筘的組合流場就行數(shù)值仿真，以探討輔助噴嘴的噴孔形狀、陣列方式對組合流場速度和引緯穩(wěn)定性的影響。

1 陣列多孔式輔助噴嘴

壓縮空氣在輔助噴嘴中流動時，與外界不產(chǎn)生熱交換，氣流速度以亞聲速為主，流經(jīng)狹小流道時可達到超音速，當(dāng)氣流由輔助噴嘴內(nèi)壁飛出后，由于空氣的卷吸運動，擴散進入異形筘流道。輔助噴嘴出口截面形狀和安裝角度等因素會極大影響流場特性。實際工程中多用單圓孔輔助噴嘴，輔噴氣流入口直徑4.4 mm，出口直徑為1.5 mm，壁厚0.5 mm,噴向角α為8°，A-A截面是輔噴入口結(jié)構(gòu)，D區(qū)域內(nèi)為輔噴出口局部放大圖。具體尺寸如圖1所示。

圖1 輔助噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

保持單圓孔輔噴出口面積不變(1.767 2 mm2)，設(shè)計了兩種異形孔輔助噴嘴，除出口形狀和參數(shù)與單圓孔輔噴不同，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與單圓孔輔噴一致，如圖2所示。單圓孔輔助噴嘴出口直徑為1.5 mm, A1號為3個橢圓陣列，其長軸半徑0.75 mm，短半軸半徑0.25 mm，中心距離均1.1 mm；A2號輔助噴嘴與A1號輔助噴嘴參數(shù)相同，僅改變單個橢圓分布位置，中心距為1.47 mm。

圖2 輔助噴嘴截面參數(shù)

2 組合流場建模

2.1 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks建立主噴嘴、3個輔助噴嘴加異形筘組合的三維幾何模型，第1個輔助噴嘴與異形筘左側(cè)面間距為55 mm，其余輔噴間距70 mm，如圖3所示。

圖3 多個輔助噴嘴組合異形筘幾何三維模型

2.2 邊界條件和求解器設(shè)定

選用專業(yè)軟件ICEM劃分三維流場的網(wǎng)格，異形筘用六面體網(wǎng)格，輔噴用四面體網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格約69萬個。分別設(shè)置主噴嘴出口速度、輔助噴嘴入口壓力和壓力出口，其他為剛性壁面，如圖4所示。

圖4 主、輔噴嘴射流三維流場網(wǎng)格劃分圖

主噴邊界條件設(shè)定為：入口速度為150 m/s，湍動能k為21.05 m2/s2，湍動能耗散率ε為52 625.21(kg·m2)/s3，壓力出口總壓設(shè)置為101.325 kPa,輔助噴嘴邊界條件設(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

2.3 Fluent 參數(shù)設(shè)置

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中檢查，進行流體動力學(xué)求解。壓縮空氣經(jīng)噴嘴加速，噴管內(nèi)流體為可壓縮黏性流體，外場屬于高雷諾數(shù)的湍流，且流動曲線彎曲程度大,雷諾數(shù)(Reynolds number)Re值高，故采用雷諾應(yīng)力湍流模型(Reynolds stress meodel)，流體介質(zhì)設(shè)置為理想氣體，采用密度基隱式求解進行計算，迭代10 000次。

3 實驗方案

主輔噴嘴射流匯入異形筘槽內(nèi)流速測試原理，如圖5所示。將畢托管的感測頭放在標(biāo)記好距離的異形筘槽內(nèi)，采用智能壓力傳感器測試畢托管的壓力，經(jīng)過差壓變送器輸入采集卡，測得的標(biāo)記處的氣流的總壓和靜壓，計算得到異形筘槽內(nèi)沿緯紗中心軸向的氣流速度，再通過上位機進行和數(shù)據(jù)處理，可獲得該點的氣流速度為

圖5 主輔噴嘴射流流速測試原理圖

(1)

式(1)中:ρ為氣流密度;P為畢托管測量得到的氣流動壓;λ為畢托管修正系數(shù),通常為0.99～1.01。

如圖6所示，設(shè)定主噴嘴與第一個輔助噴嘴間距為55 mm,其他輔助噴嘴間距70 mm，噴向角α為8°。在氣流穩(wěn)定后，紗線的飛行方向即可代表組合氣流方向，用刻度尺在畢托管探測頭上標(biāo)記位置，再將探頭伸入異形筘槽內(nèi)，逐步測量筘槽內(nèi)每一點速度。

圖6 噴嘴速度測試裝置

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值模型驗證

在供氣壓力為0.3 MPa時，比較數(shù)據(jù)仿真與實驗測試數(shù)據(jù)，對比單圓孔主輔噴嘴沿主氣流中心軸線速度。如圖7所示，兩者速度變化曲線趨勢相同，實驗測試數(shù)據(jù)整體略大于軟件模擬數(shù)據(jù)，原因是測量時選取的筘道徑向截面處測量點更靠近壁面，而靠近壁面的射流速度更大，兩者速度因此出現(xiàn)少量差異。表明建立的組合流場模型可用于預(yù)測主輔噴嘴組合流場。

圖7 實驗仿真模擬對比圖

4.2 多孔式輔噴組合流場軸線速度變化情況

圖8為組合流場速度隨輔噴形式變化。

從圖8中可見，單圓孔、A1號和A2號異性孔輔助噴嘴組合流場軸線速度變化趨勢一致。主噴氣流進入異形筘，由于空氣的卷吸作用，迅速擴散進度異形筘后，速度逐漸降低，每經(jīng)過一次輔噴，匯合氣流速度提升一次。隨著距離增加，氣流速度整體衰減。輔噴氣流依次匯入主噴氣流，紗線在組合流場中按氣流變化趨勢波動前進。其中A2號異形孔輔噴射流的引緯速度最高，單圓孔輔噴射流的速度最低，橢圓孔呈中心陣列布置，可以提升引緯效率。

圖8 不同輔噴流場中心線速度曲線圖

4.3 多孔式輔噴對氣流速度集束性的影響

圖9為不同陣列方式的輔噴射流進入異形筘與主噴射流匯合后的速度流線會變化。單圓孔射流與主噴射流匯合后，其組合氣流的流線比較分散，特別是到了第三個接力輔助噴嘴，主輔噴嘴射流明顯分叉，衰減較快。A1號和A2號異形口輔噴射流與主噴射流匯合，主氣流一直都保持比較好的匯合情況，到達第三個輔噴位置時，依然保持了很好的集束性。這是由于陣列式橢圓孔輔助噴嘴具有3個小孔，噴射出三股小射流，能夠從更多的空間角度與主噴射流匯合，使得主氣流依然保持更好的集束性，引導(dǎo)緯紗穿過梭口。

圖9 不同陣列方式輔噴速度流線圖

如圖10所示，單圓孔輔噴、A1號異形孔和A2號異形孔射流與主噴射流匯合的速度云圖。單圓孔輔噴射流的速度云圖中只有一個核心區(qū)域，A1號異形孔輔噴和A2號異形孔輔噴射流均有多個速度核心。單圓孔輔噴射流的速度核心區(qū)域最小，長度最短。A1號異形孔輔噴射流的速度核心區(qū)域更大，長度有所增加。A2號異形孔射流的速度核心區(qū)面積最大，長度最長。由此可見，A2號異形孔輔噴射流與主噴嘴射流匯合時，依然可以保持很好的集束性，可提高引緯穩(wěn)定性，引緯質(zhì)量最好。

圖10 輔噴射流進入異型筘后與主噴射流匯合的速度云圖

4.4 多孔式輔噴引緯穩(wěn)定性的變化

如圖11所示，單圓孔輔噴、A1號輔噴、A2號輔噴氣流的速度矢量圖差異明顯。單圓孔輔噴流場在靠近引緯頭端位置，渦流回流明顯，在靠近引緯終端，湍流紊亂，速度損失較大；對比單圓孔輔噴流場，A1號輔噴流場在靠近頭端位置有少量渦流，引緯終端位置無明顯渦流，氣流速度損失更小，總體速度更高；A2號輔噴在整個異形筘內(nèi)均沒有明顯的渦流擾動，氣流方向一致，引緯效果最優(yōu)，速度衰減最少，氣流更穩(wěn)定。

圖11 輔噴射流速度矢量圖

選取靠近主噴嘴的第一個輔噴，沿著輔噴中心軸線在距離輔噴出口5、10、15 mm的位置不同截面，其徑向速度分布云圖，如圖12所示。

圖12 不同位置速度云圖

3種不同出口形狀的輔噴射流，都沿中心軸線向外擴散，隨著截面距離的增加，徑向速度云圖等高線輪廓半徑逐漸變大。在5 mm和10 mm截面處，A2號輔噴射流徑向速度的半徑明顯大于單圓孔輔噴，在較大面積內(nèi)都能保持較高的速度，衰減程度低，其中，A1號輔噴射流速度提高了5 m/s左右，A2號輔噴射流速度提高了8 m/s，A2號輔噴引緯穩(wěn)定性最優(yōu)?？梢?，A2號異形孔引緯穩(wěn)定性比單圓孔輔噴明顯提高，可替換普通單圓孔噴嘴，滿足高速引緯現(xiàn)代噴氣織機的引緯需求。

5 結(jié)論

分析了供氣壓力在0.3 MPa，不同形狀出口的輔噴對主、輔噴嘴射流組合流場的速度、集束性、湍流場分布和引緯穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論。

(1)多孔結(jié)構(gòu)輔助噴嘴合理布置，可以提高組合氣流中心速度，相比于單圓孔輔噴，A2號輔噴氣流速度增大了8 m/s。

(2)陣列式橢圓孔輔助噴嘴噴射出多股小射流，能夠從更多的空間角度與主噴射流匯合，提高主氣流在整個流場中的占比，提高引緯速度和效率。

(3)中心陣列式多孔布置方式，可以減少組合湍流場中的渦旋，抑制湍流紊動。A2號異形孔輔助噴嘴組合氣流的集束性最好，引緯質(zhì)量最優(yōu)，更適合應(yīng)用于現(xiàn)代高速織機。