氣嘴分布對環形氣嘴性能影響的研究

王昆， 韓晶， 劉進福

（常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164）

氣嘴分布對環形氣嘴性能影響的研究

王昆， 韓晶， 劉進福

（常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164）

環形氣嘴是環錠紡自動接頭機中用來找鋼絲圈的機構，在自動接線的第一步就是找到鋼絲圈。現有的機構設計是通過直流電機帶動同步輪，同步輪再帶動毛刷進行找鋼絲圈的動作，有機構復雜、成本高、占用空間體積大等缺點，因此研究用環形氣嘴代替原有機構。通過對環形氣嘴的氣流分析，確定了最優的氣嘴分布形式，為設備提供了一種可靠的找鋼絲圈機構。

環形氣嘴；接頭機；氣流分析

0 引言

在紡紗行業中，有很多接線頭的工作，目前都是由人工來完成。其不足之處一是人工接線速度慢；二是接線成功率低（普通工人接線的成功率不足50%）；三是需要的人多、工作量大，企業要承擔大量的人力成本。而使用環錠紡自動接頭機則能夠有效地解決接線成功率不足、接線速度慢、人力成本大等問題。

自動找鋼絲圈機構動作是整個系統的第一步，它的穩定性決定了整個接頭機的接頭成功率。在設計過程中必須保證機構的穩定性和簡易性，而環形氣嘴正好能夠滿足要求。本文通過對環形氣嘴的氣流分析，確定了最優的氣嘴分布形式，為設備提供了可靠的找鋼絲圈機構。

1 數學模型

由于環形氣嘴進出口溫升不是很大，流速也不太高，可以把流體當作不可壓縮氣體，對于求解不可壓縮流體，其時均方程如下：

流場模型的動量守恒方程為：

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；ui、uj分別是xy上的速度分量，m/s；τ為應力張量；Fi是作用在x方向上的力，N；t為流體經過的時間，s；g為重力加速度，m/s2；P為作用在物體表面上的壓力，N；xi為流體在x方向的位移，m。

式中：Gk為由于平均速度梯度而導致的湍動能k的產生項；Gb為由于浮力而引起的湍動能的產生項；YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻；μ為氣體的動力黏度，Pa·s；Sk為用戶定義的源項；μt為湍動黏度，Pa·s；

式中：σk和σε分別為湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數；Sε為用戶定義的源項；C1ε、C2ε和C3ε為經驗常數。

2 幾何模型的建立、網格的劃分及邊界條件的設置

環形氣嘴由1個進氣口和若干個出氣口組成。本文設計了2種不同結構的環形氣嘴。兩者的內外徑一致，進出氣口直徑一致。不同之處在于出氣口的位置和數量。在圖1模型內表面均布6個出氣口，在圖2模型的下側均布8個出氣口。

圖1 內吹式環形氣嘴

圖2 下吹式環形氣嘴

由于環形氣嘴的結構比較簡單，采用六面體網格單元來離散整個計算區域，提高了整個模型的網格質量。高質量的網格有利于加快運算速度，提高計算精度。

在Gambit中對幾何模型進行網格劃分后，根據環形氣嘴的結構和流場特性對其進行邊界條件的設置，采用SIMPLE算法解決速度與壓力耦合問題。在計算時采用標準k-ε模型，對于近壁區域，采用壁面函數法進行處理，進氣口所在面設置為壓力入口邊界條件。出氣口所在的面設置為壓力出口邊界條件。

3 模擬結果與分析

圖3與圖4是兩模型的動壓分布圖，動壓是指單位體積的氣體所擁有的動能，它能改變流體介質的速度，和風速的大小存在很大的關系，從圖中可以看出，圖4的下吹式模型的動壓分布要優于圖3的內吹式模型，在下吹式模型靠近出氣口的區域，動壓基本一致，動壓的分布很均勻。內吹式模型內部的動壓隨著氣流的流動慢慢變小，出氣口的動壓也隨環形氣嘴內部動壓的變化而變化，每個出氣口動壓的數值大小不一致。由于下吹式模型氣嘴多于內吹式模型，下吹式模型出氣口的動壓數值比內吹式模型要小，從壓力的數值分布上來說，下吹式模型的壓力分布優于內吹式模型。

圖3 內吹式環形氣嘴動壓分布圖

圖4 下吹式環形氣嘴動壓分布圖

圖5與圖6是環形氣嘴內部的速度流線圖，從圖中可以看出，氣流從進氣口進入后，沿著內部流動，然后從出氣口流出，圖6下吹式模型的速度分布優于圖5內吹式模型，在下吹式模型內，氣流的速度分布很均勻，每個出氣口的速度基本一致，速度的大小和內吹式模型基本一致。內吹式模型內部氣流的速度隨氣流方向減小，速度的不均勻會影響氣嘴的噴射效果。所以下吹式模型的速度分布要優于內吹式模型。

圖5 內吹式環形氣嘴流線圖

圖6 下吹式環形氣嘴流線圖

4 結論

運用Gambit建立了下吹式環形氣嘴和內吹式環形氣嘴兩種幾何模型，并進行了網格劃分。對兩種模型內部的動壓分布進行了研究，發現下吹式模型的動壓分布要優于內吹式模型；同時對兩個模型內的氣流流跡線進行了研究，發現下吹式模型的速度分布要優于內吹式模型。綜合對兩個模型動壓和氣流流跡線的對比分析，下吹式環形氣嘴的內部流場優于內吹式環形氣嘴，下吹式環形氣嘴更適合用于找鋼絲圈機構。

［1］ 胡林峰，夏興蘭，郭立新.噴油嘴偶件內部流動特性的研究［J］.現代車用動力，2009（4）：7－13.

［2］ 王宗勇，陳江，趙家瑜.同心環管圓孔射流流動特性的數值模擬［J］.沈陽化工大學學報，2013，27（4）：347－352.

［3］ 李廣財，趙芳，李曉.計算流體動力學（CFD）在配管中的應用［J］.管道技術與設備，2012（3）：14－15，37.

［4］ 袁壽其，朱興業，李紅，等.全射流噴頭內部流場計算流體動力學數值模擬［J］.農業機械學報，2005，36（10）：46－49.

（編輯昊 天）

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0177－02

王昆（1986—），男，工程師，主要研究方向為機器人及智能裝備。

2014-02-20