孫 戩，姜博藝，張守京，胡 勝

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安市現(xiàn)代智能紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

棉花從采摘到加工過(guò)程中會(huì)使原棉中混入絲、麻等各種異纖[1]，異纖會(huì)在棉織物表面造成疵點(diǎn)從而影響紗線質(zhì)量[2]。在異纖分揀機(jī)使用前，多數(shù)棉紡廠采用人工分揀原棉中的異纖[3]。異纖分揀機(jī)通過(guò)剔除噴管噴出的高速氣流剔除棉花中混入的異纖，將大小不一的異纖噴入廢棉通道，再通過(guò)廢棉風(fēng)機(jī)將異纖吸入廢棉袋[4-5]，從而提高棉花品質(zhì)。剔除噴管的性能對(duì)于異纖分揀機(jī)的剔除效率[6]和耗氣量均起到重要作用，而剔除噴管的性能主要取決于其結(jié)構(gòu)及入口壓力。在一定入口壓力下，剔除噴管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于提高異纖分揀機(jī)剔除效率以及降低能耗具有重要意義。

對(duì)于噴管結(jié)構(gòu)性能的提高，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究：韓啟龍等[7]在對(duì)凹型、凸型及直線型3種不同母線的錐形圓柱噴管的研究中發(fā)現(xiàn)，在小錐角條件下適宜采用直線型噴嘴；周衛(wèi)東等[8]在對(duì)淹沒(méi)條件下長(zhǎng)圓噴嘴進(jìn)行模擬仿真中得到，在噴嘴入口速度和出口直徑一定的情況下，長(zhǎng)圓噴嘴出口速度小于錐形噴嘴，這為使用錐形噴嘴提供了依據(jù)。張亮等[9-11]均采用數(shù)值模擬的方法對(duì)噴氣織機(jī)輔助噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出有效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為相關(guān)噴嘴結(jié)構(gòu)研究提供了參考。在異纖分揀機(jī)剔除噴管的研究中：Chen等[12]對(duì)異纖分揀機(jī)的氣流通道進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，較大的噴嘴直徑有利于異纖剔除；杜玉紅等[13]采用拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合矩形截面的轉(zhuǎn)換，最終得到均勻的出口速度和更小的能耗，但只考慮噴管內(nèi)部流場(chǎng)，并未對(duì)外部流場(chǎng)進(jìn)行分析。

本文對(duì)CS808型異纖分揀機(jī)[14]剔除噴管的噴嘴，分別采用上擴(kuò)口噴嘴、下擴(kuò)口噴嘴、錐形噴嘴、矩形噴嘴4種不同的噴嘴結(jié)構(gòu)形式，在入口壓力為0.6 MPa 時(shí)，對(duì)其內(nèi)、外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)比不同參數(shù)情況下噴嘴噴出的高速氣流在外部空氣流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)情況，從而判斷其參數(shù)對(duì)噴管剔除性能的影響，并選擇相對(duì)較優(yōu)的參數(shù)，以達(dá)到提高剔除噴管的剔除率和減小能耗的目的。

1 噴管結(jié)構(gòu)

1.1 原始噴管模型

CS808型異纖分揀機(jī)的剔除噴管板采用 24組一分四的噴管結(jié)構(gòu)，以其中一組噴管為例進(jìn)行優(yōu)化分析，原始噴管模型如圖1所示，為圓柱直孔形噴嘴。

注：圖中數(shù)值單位為mm。

1.2 噴嘴優(yōu)化

結(jié)合剔除噴管板現(xiàn)有使用情況以及典型噴嘴形式，提出4種優(yōu)化方案，即剔除噴管其他參數(shù)保持不變，對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于剔除噴管的氣流速度受噴嘴截面面積的影響，分別提出上擴(kuò)口噴嘴噴管、下擴(kuò)口噴嘴噴管、錐形噴嘴噴管3種方案，同時(shí)驗(yàn)證相同截面面積，不同截面形狀對(duì)氣流流場(chǎng)的影響，提出矩形截面噴嘴噴管與原始噴管作對(duì)比。如圖2(a)所示，為上擴(kuò)口噴嘴噴管示意圖，在噴嘴入口處采用擴(kuò)口的方式增大入口處截面面積，可減小噴嘴入口處阻力，其中H1為上擴(kuò)口的高度，分別取1.0、0.7、0.5、0.3 mm，A為上擴(kuò)口的直徑，分別取3.6、4.0、4.4 mm；下擴(kuò)口噴嘴噴管增大出口處截面面積，下擴(kuò)口的高度H2和直徑B分別與上擴(kuò)口噴嘴噴管對(duì)應(yīng)尺寸取值相同，具體參數(shù)示意如圖2(b)所示；錐形噴嘴如圖2(c)所示，具有加速氣流速度的作用，噴嘴入口直徑C分別取3.6、4.0、4.4 mm；矩形截面噴嘴噴管的噴嘴截面面積與原始噴嘴相同，采用不同的長(zhǎng)寬比K，分別為1和2，其余尺寸不變，其中，矩形噴嘴長(zhǎng)度方向與噴管整體長(zhǎng)度方向一致。

注：圖中數(shù)值單位為mm。

2 有限元模型分析

2.1 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

異纖是通過(guò)噴嘴噴出的高速氣流剔除，因此對(duì)氣流在噴嘴噴出后的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。選取噴嘴內(nèi)部流道及其外部部分空氣域?yàn)橛?jì)算域。由于輸棉通道厚度為80 mm，則噴管的外部空氣域的長(zhǎng)度取80 mm。噴管流體域具有對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算資源，只需對(duì)流體域的四分之一進(jìn)行計(jì)算。入口采用壓力入口，壓力大小為0.6 MPa；外部空氣域直接與空氣接觸，則采用壓力出口，壓力大小為0 MPa；四分之一切分面設(shè)為對(duì)稱面；其他均為壁面。邊界條件具體如圖3所示。

圖3 邊界條件示意圖

2.2 求解設(shè)置

噴管入口壓力較大，因此噴管內(nèi)的空氣為可壓縮黏性氣體，使用可壓縮的理想空氣。本文的主要目的是研究噴嘴流場(chǎng)的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，故在計(jì)算時(shí)采用穩(wěn)態(tài)求解，獲取穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果。求解類型選用適合一般中高速流動(dòng)的壓力基求解器?？諝饪紤]為可壓縮的理想氣體，系統(tǒng)的能量方程默認(rèn)打開。湍流方程選用Spalart-Allmaras模型，是專為航空航天應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種單方程模型[15]。求解方法和求解控制主要采用系統(tǒng)默認(rèn)值，亞松弛因子根據(jù)實(shí)際計(jì)算的收斂性進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3 結(jié)果分析

由于大部分棉流處于靠近輸棉通道中心位置，因此對(duì)外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面位置(圖4所示截面位置)，即輸棉通道中心截面位置的平均速度V1和最大速度V2進(jìn)行分析，作為對(duì)噴管性能優(yōu)劣的評(píng)判指標(biāo)之一。并對(duì)噴管計(jì)算域入口的質(zhì)量流率(Q)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以尋求能耗小，綜合性能相對(duì)較優(yōu)的噴管結(jié)構(gòu)。原始噴管在外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面位置的平均速度V1和最大速度V2分別為177.0和309.0 m/s，入口的質(zhì)量流率Q為9.133 g/s。

圖4 外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面位置及速度云圖

3.1 上擴(kuò)口噴嘴

采用不同參數(shù)的上擴(kuò)口噴嘴噴管的截面速度及入口質(zhì)量流率數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

由表1可看出，采用上擴(kuò)口噴嘴能夠顯著提高氣流速度，但相應(yīng)的耗氣量也隨之增大；當(dāng)H1=0.3 mm，A=4.4 mm時(shí)截面位置最大速度V2和入口質(zhì)量流率Q均為最小，其相對(duì)于原始噴管，入口質(zhì)量流率增大3.3%，截面平均速度和最大速度分別提升21.6%和4.3%；當(dāng)H1=1.0 mm，A=4.4 mm 時(shí)，截面平均速度及最大速度達(dá)到最大，但入口質(zhì)量流率不是最大，其相對(duì)于原始噴管，入口質(zhì)量流率增大10.6%，截面平均速度和最大速度分別提升33.4%和12.9%。

表1 上擴(kuò)口噴嘴噴管截面速度及入口質(zhì)量流率

為研究剔除噴管在外部空氣流場(chǎng)域速度的變化規(guī)律，對(duì)外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面中心線位置的速度曲線以及內(nèi)、外側(cè)噴嘴的速度衰減曲線進(jìn)行分析。

上擴(kuò)口高度H1=1.0 mm時(shí)，在外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面中心線位置的速度分布曲線如圖5(a)所示；在外部空氣流場(chǎng)域內(nèi)、外側(cè)噴嘴的速度衰減曲線如圖5(b)、(c)所示，其他3組不同擴(kuò)口高度速度趨勢(shì)相近。

圖5 上擴(kuò)口噴嘴噴管H1=1.0 mm時(shí)速度曲線

由圖5(a)可看出，上擴(kuò)口噴嘴噴管速度在噴嘴位置大于原始噴管，其他位置速度分布曲線基本與原始噴管重合。

外部空氣流場(chǎng)域噴嘴的速度衰減曲線分為2段，分別為波動(dòng)段和衰減段，在25 mm之前為波動(dòng)段。由圖5(b)、(c)可看到，在波動(dòng)段，上擴(kuò)口噴嘴噴管的速度波動(dòng)大于原始噴管，在內(nèi)側(cè)噴嘴的速度波谷位置遠(yuǎn)小于原始噴管，且隨著H1的增大，這種趨勢(shì)隨之增大。在衰減段中，從40 mm位置開始，不同擴(kuò)口直徑的速度衰減曲線開始分離，其中，當(dāng)H1=1.0 mm時(shí)，噴管速度分離最為明顯。不同擴(kuò)口高度中，A=4.0 mm時(shí)的速度衰減最慢，噴管速度始終最大。綜合比較，在不同上擴(kuò)口高度中，擴(kuò)口直徑為A=4.0 mm時(shí)噴管性能相對(duì)最優(yōu)。在考慮能耗問(wèn)題中，可使用較小的擴(kuò)口高度，如H1=0.3 mm，A=4.0 mm 時(shí)，噴管截面平均速度和最大速度分別提升22.0%和4.3%，入口質(zhì)量流率增大4.9%。同時(shí)，剔除噴管在外部空氣流場(chǎng)域中的速度衰減曲線與文獻(xiàn)[10]中速度衰減曲線規(guī)律表現(xiàn)出較好的一致性，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

3.2 下擴(kuò)口噴嘴

采用不同參數(shù)下的擴(kuò)口噴嘴噴管的截面速度及入口質(zhì)量流率數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 下擴(kuò)口噴嘴噴管截面速度及入口質(zhì)量流率

由表2可知，下擴(kuò)口噴嘴噴管具有低于原始噴管的耗氣量，截面最大速度也有所減小，但截面平均速度大于原始噴管。當(dāng)H2=1.0 mm，B=3.6 mm時(shí)，下擴(kuò)口噴嘴噴管的截面平均速度最大，且入口質(zhì)量流率達(dá)到最小，相比原始噴管減少0.17%，截面平均速度增大11.6%，截面最大速度下降3.3%。

下擴(kuò)口高度H2=1.0 mm時(shí)，在外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面中心線位置的速度分布曲線如圖6(a)所示；在外部空氣流場(chǎng)域內(nèi)、外側(cè)噴嘴的速度衰減曲線如圖6(b)、(c)所示，其他3組不同擴(kuò)口高度速度趨勢(shì)相近。

圖6 下擴(kuò)口噴嘴噴管H2=1.0 mm時(shí)速度曲線

由圖6(a)可知，除H2=1.0 mm，B=3.6 mm時(shí)，在外側(cè)噴嘴位置速度高于原始噴管外，其余下擴(kuò)口噴嘴噴管在噴嘴位置速度均小于原始噴管。由圖6(b)、(c)知，在波動(dòng)段，相比于上擴(kuò)口噴嘴噴管速度更小，且隨H2的增大，波谷速度也隨之減小，其中，H2=1.0 mm，B=4.0 mm噴管下降最為劇烈。在衰減段，速度的衰減小于原始噴管，并在40 mm位置之后，速度逐漸大于原始噴管，這種趨勢(shì)隨H2的增大而增大，且在外側(cè)噴嘴位置更為明顯。綜合比較，下擴(kuò)口噴嘴噴管噴嘴位置的速度在外部空氣流場(chǎng)域40 mm之前低于原始噴管，之后逐漸大于原始噴管，并且入口質(zhì)量流率有所降低，截面平均速度始終大于原始噴管，在仿真實(shí)驗(yàn)中，截面平均速度最大提升11.6%。

3.3 錐形噴嘴

采用不同參數(shù)的錐形噴嘴噴管的截面速度及入口質(zhì)量流率數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，錐形噴嘴噴管具有較大的速度和入口質(zhì)量流率，均隨C的增大而增大，且質(zhì)量流率為線性增加。當(dāng)C=4.4 mm時(shí)速度增大的幅度降低，所以C=4.0 mm時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益最高，其相對(duì)于原始噴管，截面平均速度增大26.7%，截面最大速度增大7.6%，入口質(zhì)量流率增大15.6%。

表3 錐形噴嘴噴管截面速度及入口質(zhì)量流率

在外部空氣流場(chǎng)域40 mm截面中心線位置的速度分布曲線如圖7所示。在外部空氣流場(chǎng)域內(nèi)、外側(cè)噴嘴的速度衰減曲線與上擴(kuò)口噴嘴噴管相近。

圖7 錐型噴嘴噴管截面中心線位置的速度分布曲線

由圖7可知，錐形噴嘴噴管在外部空氣流場(chǎng)域 40 mm 中心線位置速度分布在波峰位置大于原始噴管速度分布，內(nèi)側(cè)噴嘴位置更為明顯。錐形噴嘴噴管在外部空氣流場(chǎng)內(nèi)噴嘴速度衰減曲線與上擴(kuò)口噴嘴噴管相似，故不再給出。C=4.0 mm和C=4.4 mm 時(shí)，速度衰減曲線基本重合，且在衰減段優(yōu)于原始噴管；C=3.6 mm時(shí)，速度衰減較快，在外部空氣流場(chǎng)內(nèi)55 mm位置開始，速度低于原始噴管。綜合之下，在錐形噴管中，C=4.0 mm時(shí)，性能相對(duì)最佳。

3.4 矩形噴嘴

不同長(zhǎng)寬比的矩形噴嘴噴管的截面速度及入口質(zhì)量流率數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4 矩形噴嘴噴管截面速度及入口質(zhì)量流率

由表4可知，矩形噴嘴噴管相對(duì)于原始噴管截面平均速度下降，截面最大速度和入口質(zhì)量流率均增大，且不同長(zhǎng)寬比的矩形噴嘴噴管相差較小，K=2時(shí)，截面平均速度下降5.2%，截面最大速度增加2.8%，入口質(zhì)量流率增加0.3%。

在外部空氣流場(chǎng)域40 mm中心線位置，矩形噴嘴噴管的速度分布在波峰位置略大于原始噴管的，趨勢(shì)與其他優(yōu)化噴嘴噴管速度分布近似，但在其他位置基本重合于原始噴管的速度分布，且當(dāng)K為2時(shí)，速度分布在波谷位置低于原始噴管的速度分布；矩形噴嘴噴管的外部空氣流場(chǎng)域內(nèi)側(cè)噴嘴位置速度衰減曲線與原始噴管基本重合，在外側(cè)噴嘴位置速度只略大于原始噴管，因此，矩形噴嘴噴管相對(duì)于原始噴管并沒(méi)有較大提升。

4 結(jié) 論

針對(duì)CS808型異纖分揀機(jī)剔除噴管噴嘴，分別采用上擴(kuò)口噴嘴、下擴(kuò)口噴嘴、錐形噴嘴、矩形噴嘴4種不同噴嘴結(jié)構(gòu)及其不同參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論。

1)上擴(kuò)口噴嘴噴管對(duì)于提升剔除速度有很好的效果，與擴(kuò)口高度成正相關(guān)，但相應(yīng)地將提高能耗。在目前仿真實(shí)驗(yàn)中，截面平均速度和最大速度分別較原噴嘴噴管提升33.4%和12.9%。在不同的擴(kuò)口高度中，擴(kuò)口直徑為4.0 mm時(shí)相對(duì)最優(yōu)；且較小的擴(kuò)口高度入口質(zhì)量流率更小，更節(jié)能。

2)較原噴嘴噴管，下擴(kuò)口噴嘴噴管入口質(zhì)量流率和截面最大速度均下降，但截面平均速度有所增大，在仿真實(shí)驗(yàn)中，截面平均速度最大提升11.6%；在外部空氣流場(chǎng)的下半部分速度高于原始噴管。

3)錐形噴嘴噴管入口質(zhì)量流率隨噴嘴入口直徑的增大線性增加；在考慮經(jīng)濟(jì)效益情況下，C=4.0 mm 時(shí)性能相對(duì)最佳，與原噴嘴噴管相比其截面平均速度增大26.7%，截面最大速度增大7.6%，入口質(zhì)量流率增大15.6%；在噴嘴位置的速度衰減曲線與上擴(kuò)口噴嘴相近，但在截面中心線位置速度分布優(yōu)于上擴(kuò)口噴嘴噴管。

4)矩形噴嘴噴管截面平均速度小于原始噴管，截面最大速度和入口質(zhì)量流率只略有增大，因此，矩形噴嘴噴管對(duì)于提升剔除噴管性能沒(méi)有明顯的效果。