基于Fluent的噴氣織機輔助噴嘴綜合性能

胥光申， 孔雙祥， 劉 洋， 羅時杰

(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

輔助噴嘴作為噴氣織機的關鍵部件，負責將緯紗接力并送過梭口，其耗氣量占整機的75%左右，輔助噴嘴性能直接影響了噴氣織機的引緯質量和能耗[1-2]。輔助噴嘴性能主要取決于結構及其參數，因此，其結構優化研究對于提高噴氣織機整機性能及降低能耗具有重要意義。

為提升輔助噴嘴的性能，國內外學者在輔助噴嘴的噴射流場數值分析、結構優化及性能測試等方面開展了深入研究。Meulemeester等[3]利用數值仿真技術對輔助噴嘴流場進行模擬，利用高速攝影機對模擬結果進行了驗證；譚保輝等[4]利用Fluent軟件對輔助噴嘴流場進行數值模擬，分析了供氣壓力和出口風速間的關系；文獻[5-6]對單孔輔助噴嘴的結構優化進行了研究；Belforte 等[7]對不同內部結構的輔助噴嘴進行測試發現，單圓孔輔助噴嘴具有較好的集束性；G?ktepe 等[8]提出在滿足引緯的條件下，通過減小輔助噴嘴出口孔徑和噴射時間，可有效地減少耗氣量。但關于輔助噴嘴結構參數、噴孔數目及噴孔分布方式對輔助噴嘴性能影響的系統研究較少。

為提高噴氣織機輔助噴嘴噴射性能并降低耗氣量，本文利用Fluent軟件對不同孔數、相同孔數不同孔徑以及相同孔數不同分布方式的輔助噴嘴的噴射特性和耗氣量進行了系統研究；通過對不同結構輔助噴嘴綜合性能對比，得出綜合性能優良的輔助噴嘴結構。

1 輔助噴嘴結構

按照噴孔數量，輔助噴嘴可分為單孔輔助噴嘴和多孔輔助噴嘴，多孔輔助噴嘴的主要類型有：雙圓孔、三圓孔、四圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔等。圖1示出單圓孔輔助噴嘴的結構模型圖，其入口直徑為3.2 mm，噴射角為4°，過渡區長度為 10 mm，壁厚為0.4 mm。

圖1 輔助噴嘴3-D模型圖Fig.1 3-D View of auxiliary nozzle

本文以該單圓孔輔助噴嘴為基礎，保持輔助噴嘴噴孔(直徑為1.5 mm)面積不變，確定各輔助噴嘴噴孔結構參數，研究在噴孔面積相等的條件下，不同孔數、孔徑及噴孔排布方式等結構參數對輔助噴嘴噴射性能及耗氣量的影響規律。

圖2示出三圓孔型輔助噴嘴噴孔的排布方式示意圖。3個噴孔直徑相等，均為0.866 mm。3孔以上的輔助噴嘴可分二類分布方式(以四圓孔為例)：一類為等大噴孔環形分布(見圖3(a))；另一類為中心環形分布(見圖3(b))，此種方式又因孔的大小不同而有所不同，具體分類命名及參數見表1。

圖2 噴孔排布方式Fig.2 Distribution of injector orifice.(a) Style of 3KX; (b)Style of 3KS

圖3 二類分布方式Fig.3 Two kinds of distribution.(a)Annular distribution;(b) Cental circular distribution

四圓孔類型名稱代號直徑說明等大環形孔4×Φ0.75mm4個孔直徑相等,環形分布等大中心孔3×Φ0.75 mm+Φ0.75 mm4個孔直徑相等,中心環形分布4K033×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm周邊3個孔直徑為0.3 mm,中心孔直徑為1.407 mm4K043×Φ0.4 mm+Φ1.330 mm周邊3個孔直徑為0.4 mm,中心孔直徑為1.330 mm4K053×Φ0.5 mm+Φ1.225 mm周邊3個孔直徑為0.5 mm,中心孔直徑為1.225 mm4K063×Φ0.6 mm+Φ1.082 mm周邊3個孔直徑為0.6 mm,中心孔直徑為1.082 mm4K073×Φ0.7 mm+Φ0.883 mm周邊3個孔直徑為0.7 mm,中心孔0.883 mm

由表1可知，噴孔直徑是按照直徑為1.5 mm的單孔圓形輔助噴嘴噴孔面積確定的。表中3×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm代表中心環形分布的四圓孔輔助噴嘴，其周邊3個噴孔直徑為0.3 mm，中心噴孔直徑為1.407 mm。本文涉及到的其他多孔輔助噴嘴的分布方式命名規則與四圓孔輔助噴嘴類似。

2 輔助噴嘴數值模擬的前處理

以單圓孔輔助噴嘴為例說明三維流場模型的建立、網格劃分、邊界條件定義及邊界條件設定等前處理工藝，其他類型輔助噴嘴前處理方式與之一致。

2.1 三維流場模型建立

由于輔助噴嘴三維流場模型較為復雜，利用Fluent前處理軟件Gambit難以精確建立其幾何流場模型，本文利用 Solidworks 軟件建立了輔助噴嘴的三維流場模型，如圖4所示。因輔助噴嘴三維流場模型較為對稱，本文只建立一半的流場，以提高計算效率。鑒于射流擴散較快及氣流作用于緯紗的牽引長度較短，在Solidworks軟件中建立了噴嘴的內部流場和長度為70 mm的外部流場，外部流場直徑為17 mm。

圖4 輔助噴嘴流場模型Fig.4 Flow field of auxiliary nozzle

2.2 網格劃分與邊界條件設定

采用Hypermesh對輔助噴嘴三維流場模型進行網格劃分，如圖5所示。采用四面體網格，并對輔助噴嘴流場較為復雜的噴孔處的網格進行了加密細化處理，最終生成網格數約為64萬個。

圖5 網格劃分Fig.5 Grid meshing

將劃分好的網格導入Gambit中進行邊界定義，輔助噴嘴流場模型涉及到的邊界主要有壓力出口(pressure-outlet)、壓力入口(pressure-inlet)、對稱面(symmetry)、壁面(wall)等。輔助噴嘴入口定義為壓力入口，輔助噴嘴出口處的外部流場定義為壓力出口，輔助噴嘴的對稱面為對稱邊界條件，其余為壁面。邊界定義結果如圖6所示。由于本文在 0.3 MPa下進行數值模擬，因此，壓力入口氣壓設為 0.3 MPa。在供氣壓力為0.3 MPa下，計算出輔助噴嘴入口處湍動耗散率ε為8 428.8 m2/s3，湍動能k為5.019 2 m2/s2，溫度設置為293 K[9-10]。壓力出口總壓設置為101.325 kPa，其中壁面和對稱面均為默認設置。

圖6 輔助噴嘴流場模型邊界定義Fig.6 Boundary definition of flow field of auxiliary nozzle

2.3 求解器與計算模型

考慮到噴氣織機輔助噴嘴氣流引緯速度高，為使求解能較好地收斂，同時因文中流場氣流材料為理想氣體，因此，本文采用密度基隱式求解器進行計算，采用RNG k-ε雙方程模型。

3 噴氣織機輔助噴嘴性能評價指標

輔助噴嘴的性能評價通常是通過對其最大出口風速、實際氣流中心線上的速度衰減以及耗氣量分析實現的[11]。實際生產中對輔助噴嘴既要求有良好的噴射性能，又要求有較低的耗氣量，具有良好的綜合性能。

現行的輔助噴嘴的評價方法，僅對輔助噴嘴的部分性能進行評估，無法對輔助噴嘴的綜合性能做出全面的量化評價，不利于根據綜合性能對輔助噴嘴進行優化。為此，本文提出利用輔助噴嘴氣流中心線上速度積分與耗氣量的比值，對輔助噴嘴綜合性能進行量化評價的新方法。

輔助噴嘴氣流中心線上速度積分可衡量輔助噴嘴的噴射性能：速度積分越大，表明輔助噴嘴氣流的整體速度越高；衰減越緩慢，表明輔助噴嘴有較好的噴射性能。輔助噴嘴氣流中心線上速度積分S可由下式計算得到：

式中：xi為距噴嘴出口的距離，m；f(xi)為距噴嘴出口xi處的氣流速度，m/s；ξi為氣流中心線上相鄰2點的間距，m。即

ξi=xi+1-xi

氣流中心線上速度積分與耗氣量的比值可反映輔助噴嘴的綜合性能，比值大，表明輔助噴嘴噴射速度高，耗氣量低，綜合性能越好。

輔助噴嘴綜合性能指標的量化值可記為K(m-1)，由下式可得：

式中，Q為輔助噴嘴的耗氣量，m3/h。

4 數值模擬結果分析

4.1 四圓孔輔助噴嘴流場分析

4.1.1對稱面上速度云圖

圖7示出供氣壓力為0.3 MPa時，四圓孔輔助噴嘴在對稱面上的速度分布云圖。可以看到自由射流的多個流動區域。壓縮氣流首先從圓形管道進入扁圓形管道，最后從噴孔中噴射而出，整個過程中輔助噴嘴管道截面積逐漸減小，流速不斷增大，在輔助噴嘴出口處風速達到最大，除等大環形孔輔助噴嘴出口速度334 m/s相對較低，其他型號輔助噴嘴出口速度均接近400 m/s，為超音速氣流。

圖7 不同型號四圓孔輔助噴嘴對稱面上速度分布云圖Fig.7 Velocity contours in symmetry of four orifice auxiliary nozzle of different distribution.(a)Equal size of center of circular;(b)Equal size of annular distribution;(c)Style of 4K03;(d)Style of 4K04;(e)Style of 4K05;(f)Style of 4K06;(g)Style of 4K07

4.1.2耗氣量對比

圖8示出不同孔型輔助噴嘴耗氣量。反映了在供氣壓力為0.3 MPa、噴射面積相同時，四圓孔輔助噴嘴的噴孔分布方式和噴孔直徑對耗氣量的影響情況。分析結果顯示： 4K03型輔助噴嘴耗氣量最大，其值為1.525 m3/h；4K06型輔助噴嘴耗氣量最小，其值為1.462 m3/h；4孔輔助噴嘴平均耗氣量為 1.485 m3/h。

4.1.3氣流中心線上速度分布

圖9示出供氣壓力為0.3 MPa時，不同分布方式的四圓孔輔助噴嘴氣流中心線上速度衰減曲線。可知：1)在輔助噴嘴氣流中心線上，風速在噴嘴出口處達到最大后逐漸減小；2)等大中心孔輔助噴嘴氣流中心線上的速度分布均在等大環形孔上方，表明在相同位置處，等大中心孔輔助噴嘴氣流速度大于等大環形孔輔助噴嘴氣流速度。其原因為：等大中心孔輔助噴嘴的周圍，3個噴孔圍繞中間大噴孔的噴孔排列方式中，中間大噴孔噴射的主導氣流，凝聚了周邊小孔噴射的束氣流，抑制了氣流擴散，延緩了氣流速度的衰減，提高了氣流的集束性；3)4K04、4K05、4K06型輔助噴嘴的速度分布曲線極為相似，說明此3種孔型輔助噴嘴的噴射性能較為接近。

圖8 不同孔型輔助噴嘴耗氣量Fig.8 Air consumption of auxiliary nozzle with diferent injector orifice style

圖9 氣流中心線上速度衰減曲線Fig.9 Decay curve of velocity of airflow centerline

從氣流中心線上速度衰減曲線可以看出，在距離輔助噴嘴出口0～40 mm內，4K03型輔助噴嘴的速度分布曲線位于其他曲線之上，說明在該距離內4K03型輔助噴嘴噴射性能最優。

4.1.4四圓孔輔助噴嘴綜合性能定量分析

根據分析數據，計算四圓孔輔助噴嘴速度積分S、耗氣量Q以及輔助噴嘴綜合性能指標K，結果如表2所示。

表2 不同類型四圓孔輔助噴嘴性能評價表Tab.2 Parameters evaluation of four orifice auxiliary nozzle with different styles

表2數據顯示：4K03型輔助噴嘴的S值和K值均為最大，說明其噴射性能和綜合性能在4孔輔助噴嘴中較優；4K06型輔助噴嘴耗氣量最低，K值較大，表明4K06型輔助噴嘴也具有較好的綜合性能。

利用以上方法，對噴孔分別為雙圓孔、三圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔的輔助噴嘴進行了研究發現：1)相同孔數的中心環形分布的輔助噴嘴，其出口風速隨中心孔直徑減小而減小；2)中心環形分布方式的輔助噴嘴噴射性能優于環形分布的輔助噴嘴；3)相同噴孔數目的輔助噴嘴中，雙孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴綜合性能最優。

4.2 不同噴孔數目的輔助噴嘴性能對比

對單圓孔、錐形孔、雙孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴噴射性能進行研究，并與基本型單圓孔輔助噴嘴進行比較，分析比單圓孔輔助噴嘴耗氣量更低、噴射速度更高的輔助噴嘴。

4.2.1不同噴孔數目的輔助噴嘴耗氣量對比

表3示出供氣壓力為0.3 MPa時，不同輔助噴嘴耗氣量的對比。數據顯示：錐形孔輔助噴嘴耗氣量最大，8K04型輔助噴嘴的耗氣量最小；相同的噴孔面積條件下，耗氣量隨著噴孔數目增多呈現遞減趨勢。

表3 不同噴孔數目輔助噴嘴性能評價表Tab3 Parameters evaluation of different number of orifice auxiliary nozzle

4.2.2綜合性能對比

根據分析數據，計算不同噴孔數目的輔助噴嘴的速度積分S、Q以及輔助噴嘴綜合性能指標K，結果如表3所示。

由表中數據可知： 1)7K04型輔助噴嘴的速度積分S值較高，其耗氣量Q也較小，綜合性能指標K值最大，表明該類型輔助噴嘴綜合性能最優，是一種理想的輔助噴嘴；2)錐形孔輔助噴嘴的速度積分S值最大，說明其噴射性能最優，但由于其耗氣量Q最大，使得其K值較小，由于其噴射性能較好，僅適用于重磅織物的引緯；3)單圓孔輔助噴嘴與5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔輔助噴嘴相比，前者的綜合性能指標K值較小，表明5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔型的輔助噴嘴綜合性能優于單圓孔輔助噴嘴。

5 結 論

1)中心環形分布方式的輔助噴嘴噴射性能優于環形分布的輔助噴嘴。

2)相同孔數但直徑大小不同的中心環形分布的輔助噴嘴，其出口風速隨中心孔直徑減小而減小。

3)相同的噴孔面積條件下，耗氣量隨著噴孔數目增多而減小，8K04型輔助噴嘴耗氣量最低。

4)7K04型輔助噴嘴綜合性能最優，噴射速度高，耗氣量低，適合于大多數織物高速引緯；錐形孔輔助噴嘴噴射性能最優，但耗氣量高，適合于重磅織物引緯。

5)5K03、6K05、7K04、8K04型輔助噴嘴綜合性能優于單圓孔輔助噴嘴。