噴氣織機主噴嘴氣流三維數值模擬與分析

摘 要:利用計算流體力學CFD軟件對主噴嘴內部氣流進行了三維數值模擬，獲得噴氣織機主噴嘴內部氣流壓力、流速、馬赫數等流場特性的分布曲線，并就流場的軸向徑向氣流速度模擬結果進行了詳細的分析評價。模擬結果驗證了計算模型的可行性和有效性，對于進一步了解實際系統流場特性并提高噴氣織機氣流性能具有重要意義。在一定程度上為主噴嘴內部流場分析和結構設計奠定了基礎，為主噴嘴結構設計縮短研制周期，提高效率，節約成本提供了參考依據，是噴氣織機氣流引緯技術研究的一個重要發展方向。關鍵詞:噴氣織機; 主噴嘴; 數值模擬; 流場

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0180-04

Numerical Simulation and Analysis of Air Flow within Main Nozzle in Air-jet Loom

MA Zhi-yan1，LIANG Zhe2

(1.Department of Mechanical Engineering， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721000， China;

2.Department of Mechanical Engineering， Xidian University， Xi’an 710071， China)

Abstract: The 3-D numerical simulation of the air flow within the main nozzle was performed with the computational fluid dynamics (CFD) software， and the distribution curves of flow field characteristics of pressure， velocity and Mach number of air flow within the main nozzle of air-jet loom were obtained. A detailed analysis and evaluation about the simulation results of the radial and axial air velocity in the flow field are carried out. The simulation results verified the feasibility and effectiveness of the method， which may have important significance in further understanding of practical flow field characteristics， improve the flow field performance of air-jet loom， and lay a foundation for the flow field analysis and structure design of main nozzle to some extent. The method can shorten the development cycle for main nozzle. It is a development direction of pneumatic weft insertion tchnology of air-jet loom.Keywords: air-jet loom; main nozzle; numerical simulation; flow field

收稿日期:2010-04-23

0 引 言

噴氣引緯系統是依靠噴嘴氣流實現引緯，因此噴嘴的設計是噴氣織機的關鍵技術，噴嘴的結構、流速等參數直接影響到整機的正常運轉和織物的質量，而噴嘴內部的流動情況比較復雜[1]，目前噴嘴多數的設計是建立在經驗基礎之上，迫切需要對噴嘴的內部流動規律進行深入的研究。

隨著計算流體力學(computational fluid dynamic，CFD)技術和計算機技術的不斷發展，數值計算得到迅速發展，這里采用數值計算方法對噴氣織機噴嘴中氣流流動特性進行研究，并對其氣流流動性能進行三維數值模擬研究，得出主噴嘴內部流場的分布情況，從而對主噴嘴內部氣流速度情況進行了分析評價，以利于更好的了解噴嘴內部氣流與噴氣織機工作性能之間的關系。

1 主噴嘴結構及工作原理

組合式噴嘴是現代噴氣織機的常用結構，在此以此為例來進行探討。組合式噴嘴常見結構如圖1所示，它由噴嘴芯A、噴嘴體B和導紗管C三部分構成。

圖1 主噴嘴結構圖

由儲緯器引來的緯紗從緯紗入口11進入引緯流道12，由主氣包來的壓縮空氣從進氣孔1進入第一氣室2 形成強旋流，經整流槽3進行整流，使湍流“層流化”，經過整流后的氣流經過音速加速區5和喉部6后到達跨音速區7，此時的氣流達到音速或超音速;當氣流從出口8進入緯紗引射區9時，氣流靜壓已大大低于緯紗流道內的大氣壓，負壓作用使環境大氣攜帶緯紗從引緯流道12進入緯紗引射區9;緯紗被吸入噴嘴內的緯紗引射區，經緯紗加速區10后被再次加速的高速氣流在較長的導紗管C內對緯紗進行充分作用，使緯紗獲得足夠高的速度飛進梭口[2]。

2 物理模型的建立及數值模擬

2.1 主噴嘴的網格劃分

(1) 建立幾何模型。CFD計算的第一步是建立實體的幾何模型，噴氣織機主噴嘴的結構復雜且屬于不規則形狀，所以采用了三維UG軟件建好噴嘴的幾何模型，然后導入到NUMECA軟件中的網格生成工具HEXPRESSTM軟件中，由于NUMECA的計算區域為流體流過的空間，因此在HEXPRESSTM中不能直接對幾何模型進行網格劃分，而是要通過一些布爾運算，得到流道模型，再進行網格劃分。

(2) 生成計算網絡。生成網格質量，對于獲得一個較好的數值解有很大的影響，將直接影響到計算精度和收斂速度[3]。隨著外形的復雜化，生成結構網格越來越困難，費時費力的網格生成成了設計階段的瓶頸。而非結構網格舍去了網格節點間的結構性限制，可以任意布置網格節點和單元，網格的大小和疏密很容易控制，一旦外形確定，可以快速地自動生成網格，準確描繪外形，具有優越的幾何靈活性[4]。

噴氣織機主噴嘴復雜且不規則形狀的結構，使數值模擬要求較高，該計算網格采用非結構化網格[5]這樣使得靠近各處壁面的網格分布較密集，遠離壁面處網格分布較稀疏。這樣生成的網格，既能滿足計算要求，完整地描述流場特征，又能減少劃分的網格數，減少計算內存和提高計算速度[6]。對于噴氣織機主噴嘴來說，具體是在整流器部分、進口高壓氣流與第一氣室相交部分和噴嘴的喉部都進行了相應的網格加密，以達到計算的準確性。

本文利用NUMECA的全六面體非結構網格流場數值模擬軟件包FINETM/HEXA中的網格生成器HEXPRESSTM做前處理，依據上述原則進行網格劃分，從而形成了全六面體非結構、非均勻的網格。依據上述原則建立的網格體系能夠很好地適應模型的幾何結構及流動特性，同時生成的網格正交性較好，能夠滿足適用于噴嘴的某些差分格式。該模型將整個三維計算域劃分為1 201 806個全六面體非結構網格單元，可以得到很好的計算結果，如圖2所示。

圖2 主噴嘴整體網格

通過HEXPRESSTM軟件對主噴嘴網格質量檢查可以看出，噴嘴網格的最小體積無負體積。網格最小正交性角度為0.6°，正交性角有18°以內的網格數僅為219，故基本滿足推薦的不小于5°的要求。網格長寬比最大的為143.943，符合推薦的低于5 000的要求，此外，在計算網格中，凹網格、扭網格數目都較少，因此，所建立的噴嘴網格完全滿足計算要求。

2.2 參數的選擇

NUMECA全六面體非結構網格流場數值模擬軟件包FINETM/HEXA的流場求解器為HEXSTREAMTM，它的計算參數包括以下幾個方面:

(1) 流動工作介質。該數值模擬的對象為主噴嘴，它的進氣壓力較低，在0.2~0.4 MPa之間，且壓縮空氣內含水分和雜質很少，因此在這里可作以簡化，選擇理想氣體，它的屬性不需要再做修改。理想氣體的具體屬性為:

熱力學參數:定值CP，CP/CV;取CP=1 006 J/kg#8226;K，CP/CV=1.4;傳熱參數:根據Prandtl定律，Prandtl=0.708;粘性參數:根據Sutherland定律，粘度為1.57×10-5 m2/s。

(2) 控制方程參數。主噴嘴的內部流動為三維湍流流動，因此流動方程選擇基于密度的可壓縮三維雷諾平均N-S方程組，Sparlart-Allmaras湍流模型，設定參考長度為0.005，參考速度為估計來流速度150，參考量~Nu/Nu=0.000 1。

(3) 邊界條件。在邊界處理上，遠場邊界采用的是基于入流/出流的簡化邊界條件[7]。在該主噴嘴氣流的數值模擬分析過程中對于邊界條件采用了以下參數:

入口邊界條件 緯紗入口進口總壓P=101 325 Pa，進口總溫T=293 K，來流方向垂直于進口截面;高壓壓縮空氣進口進口總壓P=200 000 Pa，進口總溫T=300 K，來流方向垂直于進口截面。

出口邊界條件 在計算過程中，如果壓力出口邊界處存在回流，那么就需要指定回流條件，這樣有助于解決回流出口的收斂困難問題。出口總壓P=100 000 Pa，選擇有回流。

壁面邊界條件 主噴嘴側壁面均為無滑移、絕熱壁面。即u=v=w=0，k=0，ε=0。

(4) 其他條件。計算定義多重網格數為3;格式空間項采用二階中心差分格式，時間項采用四階龍格-庫塔法，CFL數取為0.5;計算中當迭代次數為1 000步或者殘差為10-5時，計算達到收斂停止計算。

2.3 收斂標準

只有當數值模擬的解達到收斂時，此模擬計算才能被認為是可靠的，因此對主噴嘴的網格計算同樣需要判斷解的收斂性。

圖3分別為本文噴嘴計算中的全局殘差和進出口流量的收斂曲線，在圖3(a)中，全局殘差下降4個量級，在第200次迭代步可以看到全局殘差突然上升，這是由于NUMECA使用多重網格法求解，在此處由粗網格向細網格轉換所致。圖3(b)為入口與出口質量流量收斂過程圖，上面的那條線為出口質量流量，圖中顯示，入口與出口質量流量趨于一致，進出口流量相對誤差為0.2%。由以上可知，計算符合收斂標準[8]，所以本計算是合理的。

圖3 全局殘差和進出口流量的收斂曲線

3 計算結果與分析

所建立模型分別對流場軸向與徑向的動壓靜壓總壓、流場的軸向與徑向流速、馬赫數進行了數值模擬，下面就流場的軸向徑向流速模擬結果進行詳細分析。

3.1 主噴嘴的軸向速度分布

圖4為進口壓力0.2 MPa時主噴嘴內部流場的軸向速度矢量圖和噴嘴喉部和緯紗管出口匯合面處軸向速度矢量的局部放大圖，圖右側的色標用不同的顏色表示了不同的速度值，通過不同的顏色就可大致看出流場內各位置的速度值。

由圖4(a)可以得出以下結論:

(1) 從整體來看，噴嘴內部的氣流流動比較流暢，高壓壓縮氣體進入噴嘴后向上流動，進入環形氣室內，氣流因急轉彎引起二次流動并產生漩渦，沿主噴嘴軸線方向流動，經過整流槽的整流出來后流入噴嘴喉部。在氣流匯合區域也出現明顯的回流、漩渦現象。

(2) 緯紗進口的速度由小變大，直到喉部出來的壓縮空氣和緯紗氣流匯合出口處達到最大，且上下對稱。在氣流匯合出口形成了一個錐狀射流區域。

(3) 在過了引射區后的導紗管中速度變化差異不是很大，直至導紗管出口。

圖4(b)可以看出，噴嘴內的軸向速度在喉部后面緯紗管外側處速度達到最大，已經超過了音速，在匯合氣流出口處形成了一個噴射區域，此噴射區域呈錐狀分布，此區域內的速度較小，向后和向外逐漸增大。此外，在緯紗引射區和喉部外側所夾的中間部分出現了漩渦和回流現象，這主要是由于兩股氣流在此處開始互相摻合，彼此的動量發生變化所致。此漩渦和回流現象有可能使紗線在此發生卷曲和波動，應盡量使其大小和范圍都縮小。

圖4 主噴嘴內部流場軸向速度矢量圖

3.2 導紗管橫截面的切向速度分布

圖5為主噴嘴導紗管橫截面的切向速度分布云圖。

由圖示可以得出以下結論:

(1) 在導紗管中，切向速度沿著導紗管方向逐漸降低，經過一段距離后變得比較穩定。

(2) 在氣流匯合處沿壁面法線不同距離的截面上，越靠近導紗管壁則速度越大，在截面中心向外有個較小的核心區域，速度較小，這主要是緯紗入口空氣和高壓空氣匯合氣流匯合在此形成的負壓小區造成的。

(3) 經過負壓區后，沿壁面法線不同距離的截面上，越靠近導紗管壁則速度越小，在截面中心核心區域速度大，且核心區域的面積比較大，這主要是由于固體壁面效應造成的，符合流體力學中的壁面速度變化理論。

圖5 進口壓力0.2 MPa切向速度云圖

3.3 各截面y方向的速度曲線分布

圖6為各截面y方向上的速度分布圖，從該圖可以看出，在y=0.009截面上速度波動最大，速度先變小再變大，不利于緯紗的穩定飛行，這是由于此截面處于負壓小區。在y=0和y=0.005截面上速度波動逐漸變小，速度也是先變小再變大，只是沒有y=0.009截面上的變化大。在y=-0.005，y=-0.01，y=-0.015速度波動較小，速度趨于穩定，這是由于這幾個截面處于導紗管的引射區后段。

圖6 各截面Vy曲線分布圖

4 結 語

近年來，CFD技術在各個領域取得了很大的成就和發展，數值模擬的方法成為研究流體流動強有力的工具，是理論分析和實驗觀察研究不可替代的方法。本文成功地應用了CFD技術對噴氣織機主噴嘴氣流系統進行了三維數值模擬，對于了解實際系統流場特性并進一步提高噴氣織機氣流性能具有重要意義，在一定程度上為主噴嘴內部流場分析和結構設計奠定了一定的基礎。通過對速度特性參數的分析可知，目前常用的組合式主噴嘴的結構完全可以滿足緯紗的正常飛行條件，筆者認為可以利用數值模擬方法進一步對主噴嘴進行優化，一是利用數值模擬方法對整流器開展研究，選擇合適的形狀和數目;二是通過對主噴嘴進氣壓力的變化來分析各個工況下的優劣與差別，從而進一步確定主噴嘴的最優入口壓力，達到節能的目的。

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